當(dāng)前，人工智能（AI）系統(tǒng)正在廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，但隨著模型規(guī)模和復(fù)雜度的不斷提升，對(duì)算力的需求也達(dá)到了前所未有的程度。然而，傳統(tǒng)芯片的性能提升速度正日益放緩。根據(jù)“摩爾定律”，每隔約兩年，芯片上可容納的晶體管數(shù)量會(huì)翻一番，從而帶來(lái)更快、更便宜的計(jì)算能力——這一規(guī)律過(guò)去數(shù)十年主導(dǎo)了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展。
但今天，這一定律正遭遇物理極限的挑戰(zhàn)。晶體管已接近可微縮的最小尺度，電子的流動(dòng)特性限制了其進(jìn)一步壓縮的可能。與此同時(shí)，AI的整體能耗也在急劇上升，不僅增加了碳排放，也給數(shù)據(jù)中心周圍的當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)帶來(lái)了壓力。
可以說(shuō)，電子芯片時(shí)代正在逼近盡頭。為了實(shí)現(xiàn)更可持續(xù)的未來(lái)，研究人員將目光投向了光子計(jì)算——直接利用光來(lái)進(jìn)行計(jì)算，突破傳統(tǒng)架構(gòu)的限制。然而，盡管這一構(gòu)想由來(lái)已久，但由于種種障礙，使得這一技術(shù)難以在現(xiàn)實(shí)世界實(shí)現(xiàn)。
近日，在兩篇發(fā)表于《自然》雜志的研究中，兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)分別展示了在硅光子學(xué)獲得的互補(bǔ)性突破。通過(guò)利用能處理光而非電的半導(dǎo)體芯片，他們?cè)谔嵘?jì)算性能的同時(shí)顯著降低了能耗。
兩篇論文介紹的電子-光子混合計(jì)算系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中展現(xiàn)出與傳統(tǒng)電子處理器相當(dāng)，甚至在某些場(chǎng)景下更優(yōu)的關(guān)鍵性能指標(biāo)，標(biāo)志著光子計(jì)算從理論走向現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的重大躍進(jìn)。
光子計(jì)算的潛力與挑戰(zhàn)
過(guò)去幾十年里，光子計(jì)算一直是科學(xué)研究的重要方向。與傳統(tǒng)的電子計(jì)算不同，光子計(jì)算通過(guò)使用光（光子）而非電（電子）來(lái)傳輸和處理信息，從而有望實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)算速度、更大的數(shù)據(jù)帶寬和更高的能效。這是因?yàn)楣庾佑?jì)算不會(huì)受到電阻所引起的電流損耗，也不會(huì)像電子元件那樣產(chǎn)生大量不必要的熱能損耗。
光子計(jì)算尤其適合執(zhí)行矩陣乘法——通常被稱為“乘積累加”（MAC）運(yùn)算。這類運(yùn)算構(gòu)成了人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心基礎(chǔ)，也廣泛存在于各種組合優(yōu)化問(wèn)題中，例如資源分配、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、任務(wù)調(diào)度及供應(yīng)鏈物流等實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。
盡管光子計(jì)算展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)，但其中的挑戰(zhàn)也不容小覷。長(zhǎng)期以來(lái)，光子芯片的性能大多是在孤立環(huán)境中進(jìn)行研究和測(cè)試的。但由于電子技術(shù)在當(dāng)今計(jì)算體系中仍占據(jù)主導(dǎo)地位，光子硬件若要真正實(shí)用化，必須能夠與現(xiàn)有電子系統(tǒng)高效集成。
然而，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過(guò)程會(huì)帶來(lái)處理延遲，因?yàn)楣獗旧韨鞑ニ俣雀?。此外，光子?jì)算也是基于模擬運(yùn)算，而非數(shù)字運(yùn)算，這意味著其在運(yùn)算精度和可處理任務(wù)類型方面仍存在一定限制。
由于目前尚無(wú)法以足夠高的精度制造出大規(guī)模的光子電路，這使得從原型系統(tǒng)擴(kuò)展到商用規(guī)模仍面臨障礙。與此同時(shí)，光子計(jì)算還需要發(fā)展出配套的軟件與算法，這進(jìn)一步加劇了它在與其他技術(shù)集成和兼容時(shí)的挑戰(zhàn)。
從“做數(shù)學(xué)”到“玩吃豆人”
《自然》雜志上的兩項(xiàng)新研究在解決光子計(jì)算面臨的諸多關(guān)鍵障礙方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展。在其中一篇論文中，研究人員展示了一種新型的光子計(jì)算處理器，名為PACE。該處理器具有低延遲特性，也就是說(shuō)，在輸入或指令，與計(jì)算機(jī)做出相應(yīng)的響應(yīng)或操作之間，只存在最小的時(shí)間延遲。
PACE處理器集成了超過(guò)16,000個(gè)光子元件，具備解決復(fù)雜計(jì)算任務(wù)的能力。研究人員用它來(lái)處理組合優(yōu)化問(wèn)題，這些問(wèn)題在許多現(xiàn)實(shí)世界領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用，包括金融、制造和物流等領(lǐng)域。
這款處理器展示了如何解決光子與電子硬件的集成問(wèn)題，計(jì)算精度的控制問(wèn)題，以及對(duì)運(yùn)行所需的差異化軟件與算法的適配問(wèn)題。同時(shí)，它也證明了該類架構(gòu)具有良好的可擴(kuò)展性，有望支持更大規(guī)模的計(jì)算任務(wù)。
在另一篇論文中，研究人員則展示了一款可以運(yùn)行主流AI模型的光子處理器。這些AI模型包括自然語(yǔ)言處理器BERT，以及用于圖像識(shí)別的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)ResNet。該處理器在運(yùn)行上述模型時(shí)的精度表現(xiàn)，接近當(dāng)前電子處理器的水平。
研究人員通過(guò)一系列任務(wù)驗(yàn)證了該處理器的實(shí)際效果，包括生成風(fēng)格模仿莎士比亞的文本，對(duì)電影評(píng)論進(jìn)行分類，以及運(yùn)行經(jīng)典雅達(dá)利游戲（如吃豆人 Pac-Man）等。
挑戰(zhàn)仍在
盡管成果令人振奮，但要讓光子計(jì)算成為真正可部署的解決方案，還面臨諸多挑戰(zhàn)。
光學(xué)計(jì)算的核心優(yōu)勢(shì)在于其極高的帶寬和強(qiáng)大的并行處理能力。然而，目前展示的兩款光學(xué)處理器在運(yùn)行頻率上仍處于1GHz（千兆赫）左右，遠(yuǎn)未釋放光子器件理論上可達(dá)到的100GHz的潛力。
此外，現(xiàn)階段的設(shè)計(jì)仍局限于使用單色光和單一空間波導(dǎo)模式，尚未探索多頻率與多空間模式的并行處理能力——這部分正是未來(lái)性能提升的重要方向。
不僅如此，當(dāng)光子處理器真正進(jìn)入復(fù)雜且動(dòng)態(tài)的商業(yè)AI場(chǎng)景時(shí)，其性能穩(wěn)定性、環(huán)境適應(yīng)性與成本可控性仍將面臨考驗(yàn)。如何在工業(yè)級(jí)環(huán)境中保持持續(xù)的高效運(yùn)行，將成為光子計(jì)算能否走出實(shí)驗(yàn)室、進(jìn)入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的關(guān)鍵考題。
未來(lái)可期
盡管面臨挑戰(zhàn)，光子計(jì)算的前景依然值得我們期待。其一大優(yōu)勢(shì)在于，光子芯片可以使用與現(xiàn)有電子芯片相同的工廠和生產(chǎn)工藝進(jìn)行制造，這意味著這項(xiàng)技術(shù)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展?jié)摿Α?/span>
光子計(jì)算的研究歷程已持續(xù)數(shù)十年，而這兩項(xiàng)最新成果可能意味著——我們距離真正釋放“光”的計(jì)算潛力，構(gòu)建更強(qiáng)大、更節(jié)能的計(jì)算系統(tǒng)，已經(jīng)不再遙遠(yuǎn)。
在“摩爾定律”日益失效、AI 算力與能耗矛盾日趨激化的今天，一種“用光計(jì)算”的全新路徑，正悄然照亮計(jì)算的未來(lái)。
參考來(lái)源：
https://www.nature.com/articles/d41586-025-00907-5
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08786-6
https://www.nature.com/articles/s41586-025-08854-x
圖片來(lái)源：
封面圖&首圖：Lightelligence
(審核編輯: 光光)
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