光子技术：计算领域的革命性变革

麻省理工学院校友创立的光明科技公司正在开创性地利用光进行数据处理和传输，以解决传统计算方法的局限性。（艺术家概念图。）来源：SciTechDaily.com

由三位麻省理工学院校友创立的光明科技公司正在利用光子技术重新定义芯片通信和计算的方式。

将越来越小的晶体管塞进芯片中的能力促成了当今无所不在的计算时代。但这种方法最终遇到了限制，一些专家宣布了摩尔定律及其相关原理——丹纳德缩放的终结。

这些发展的时机再糟糕不过了。近年来，对计算能力的需求急剧上升，这在很大程度上归功于人工智能的兴起，而且没有放缓的迹象。

现在，由三位麻省理工学院校友创立的光明科技公司正在通过重新思考芯片的生命线来延续计算的显著进步。该公司不仅依赖电力，还使用光进行数据处理和传输。该公司的首批两款产品是专注于人工智能操作的芯片和用于芯片之间数据传输的互连，两者都使用光子和电子来驱动更有效的操作。

开创性的光基计算

光明科技公司联合创始人兼首席执行官尼古拉斯·哈里斯博士表示：“我们正在解决的两个问题是‘芯片如何通信？’和‘如何进行这些（人工智能）计算？’借助于我们的首批两款产品 Envise 和 Passage，我们正在解决这两个问题。”

为了应对问题的严重性和对人工智能的需求，光明科技公司在 2023 年筹集了略高于 3 亿美元，估值达到 12 亿美元。现在该公司正在与世界上一些最大的科技公司展示其技术，希望减少数据中心和人工智能模型的巨大能源需求。

哈里斯说：“我们将通过我们的互连技术构建平台，该平台由数十万个下一代计算单元组成。如果没有我们正在构建的技术，这根本不可能实现。”

光明科技公司的 Passage 芯片互连利用光的延迟和带宽优势以类似于光纤电缆如何使用光在长距离发送数据的方式连接处理器。在芯片之间发送信息对于运行为云计算提供动力和运行 ChatGPT 等人工智能系统的庞大服务器场至关重要。来源：经研究人员许可。麻省理工学院新闻编辑

从构想走向 10 万美元

在进入麻省理工学院之前，哈里斯曾在半导体公司 Micron Technology 工作，在那里他研究了集成芯片背后的基本器件。这一经历使他看到了提高计算机性能的传统方法——在每个芯片上塞进更多的晶体管——正在达到其极限。

“我看到计算的路线图正在放缓，我想弄清楚如何继续下去，”哈里斯说。“哪些方法可以增强计算机？量子计算和光子学是其中两条途径。”

哈里斯来到麻省理工学院在电气工程和计算机科学系副教授迪尔克·恩格伦德的指导下研究光子量子计算以攻读博士学位。作为这项工作的一部分，他构建了基于硅的集成光子芯片，可以使用光而非电来发送和处理信息。

这项工作产生了数十项专利和 80 多篇发表在《自然》等知名期刊上的研究论文。但另一项技术在麻省理工学院也引起了哈里斯的注意。

“我记得走过走廊，看到学生们刚刚从这些礼堂大小的教室里涌出来，观看直播的讲座视频，看着教授们讲授深度学习，”哈里斯回忆道，他指的是人工智能技术。“校园里的每个人都知道深度学习将是一件大事，所以我开始了解更多关于它的信息，我们意识到我为光子量子计算构建的系统实际上可以用来进行深度学习。”

哈里斯计划在获得博士学位后成为一名教授，但他意识到他可以通过初创公司吸引更多资金并更快地进行创新，因此他与也在恩格伦德实验室学习的达柳斯·布南达尔博士和托马斯·格雷厄姆 MBA 18 级联手。联合创始人通过赢得 2017 年麻省理工学院 10 万美元企业竞赛成功进军初创领域。

光子学在计算领域的未来

光明科技公司的 Envise 芯片采用了电子擅长的计算部分，如内存，并将其与光擅长的部分相结合，如执行深度学习模型的大规模矩阵乘法。

哈里斯解释说：“利用光子学，您可以同时执行多项计算，因为数据以不同颜色的光进入。一种颜色可能有一张狗的照片。另一种颜色可能有一张猫的照片。再另一种颜色，可能是一棵树，您可以让这三个操作同时通过同一个光学计算单元，这个矩阵加速器。这会增加每单位面积的操作次数，并重复利用现有的硬件，从而提高能效。”

Passage 利用光的延迟和带宽优势以类似于光纤电缆如何使用光在长距离发送数据的方式连接处理器。它还使大如整个晶片的芯片能够作为一个处理器运行。在芯片之间发送信息对于运行为云计算提供动力和运行 ChatGPT 等人工智能系统的庞大服务器场至关重要。

这两款产品均旨在为计算带来能源效率，哈里斯表示，这是在不大幅增加功耗的情况下满足不断增长的需求所必需的。

哈里斯说：“到 2040 年，一些人预测世界上约 80% 的所有能源使用都将用于数据中心和计算，而人工智能将占据其中很大一部分。当你看到用于训练这些大型人工智能模型的计算部署时，它们将走向使用数百兆瓦。它们的用电量相当于城市规模。”

光明科技公司目前正在与芯片制造商和云服务提供商合作进行大规模部署。哈里斯指出，由于该公司的设备在硅上运行，因此可以在现有的半导体制造设施中生产，而无需大规模更改工艺。

这些宏伟的计划旨在为计算开辟一条新的前进道路，这对环境和经济具有重大影响。

哈里斯说：“我们将继续关注计算机的所有部分，以找出光可以在哪里加速它们、让它们更节能并使它们更快，我们将继续替换这些部分。现在，我们专注于通过 Passage 实现互连和通过 Envise 实现计算。但随着时间的推移，我们将构建下一代计算机，而这一切的核心都将是光。”