电子芯片利用电子。光子芯片利用光。为什么这一点很重要。

几十年来，电子芯片驱动着我们身边几乎每一台数字设备，从智能手机、计算机到运行人工智能的服务器。但随着现代计算机中流动的数据量持续增长，研究人员和芯片制造商越来越多地关注另一种传输和处理信息的方式——光。

光子芯片由此登场。它们不再主要依赖电信号，而是利用光子和微型光学元件来操控光。不过，这两种技术并非必然是竞争对手。研究人员正越来越多地探索将电子技术与光子技术集成到同一计算系统中的方法。

电子芯片的工作原理

电子芯片围绕半导体器件构建，其中最重要的是晶体管。硅之所以被广泛使用，是因为其电学特性可以被精确控制，使制造商能够将数十亿个微型开关集成到单一集成电路中。

这些晶体管通过开关电信号来执行计算、存储和处理信息，并控制其他硬件。这种方法极为成熟，至今仍是现代计算的基础。

问题在于，以电的方式传输海量信息会消耗大量电能并产生热量。这在数据中心中变得越来越重要，因为那里的处理器和加速器必须不断交换巨量数据。这也是工程师们探索用光作为信息传输替代方案的原因之一。

光子芯片的工作原理

光子芯片，也称为光子集成电路，在其部分或全部功能中使用光而非电信号。这些芯片不仅包含晶体管，还可以包含激光器、波导、调制器、滤波器和光电探测器等元件。波导引导光在芯片内传播，而调制器可以将信息编码到光信号上。

一个重要的点是，光子芯片并不一定取代电子器件。许多系统仍然需要电子电路来控制光学元件，将电信号转换为光信号，然后再转换回来。

这就是硅光子学变得尤为引人关注的原因。它将光学元件与硅基电子技术的制造优势结合在一起。

为什么要用光而不是电？

光子学最大的优势在于数据传输。光可以携带巨量信息，而且光学连接可以在相对较长的距离上提供高带宽。这使得光子学在连接数据中心内部处理器、内存和网络设备方面尤为具有吸引力，因为这些场景对性能的要求越来越高。

例如，英特尔正在开发集成光子技术，以将光学连接推进到更靠近计算硬件的位置。对于某些高速连接，光子系统还可以降低能耗。

NIST（美国国家标准与技术研究院）的研究人员将电子学与光子学的结合描述为一种将数字计算的可扩展性与光信号的高带宽结合起来的方式。对于人工智能系统来说，处理器之间需要传输海量数据，这种区别可能变得日益重要。

为什么不把所有东西都做成光子的？

因为电子技术在许多计算形式上仍然极为出色。光子电路有其自身的工程挑战。产生、探测和控制光需要专门的元件，而将激光器与硅集成可能很困难，因为硅本身并不是一种高效的发材料。

例如，NIST的研究人员一直在开发将专用半导体激光材料与硅晶圆集成的方法。光子学也不会自动使所有计算变得更快或更高效。它如今最大的优势往往在于数据传输，而非取代晶体管作为计算的通用构建模块。

未来可能是二者的结合

电子技术不会消失，更可能的未来是两种技术更紧密地协作。电子电路可以负责高密度逻辑、控制和计算，而光子元件可以在计算系统各部分之间传输海量信息。

NIST和产业界的研究人员已经在努力将光子学直接与CMOS电子器件集成，以用于高速通信和计算架构。简单来说，电子芯片在信息处理方面极为出色，而光子芯片在用光传输信息方面可能极为出色。因此，未来最强大的系统可能会同时使用两者，让电子和光子各司其职，做各自最擅长的事情。

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