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來源：內容編譯自thebrighterside，謝謝。

從網上購物到醫學研究，人工智能 (AI) 持續影響著我們的日常生活。然而，每一次點擊或每一次發現的背后，都隱藏著一個計算能力的世界，面臨著嚴峻的挑戰。如今的計算機消耗著大量的能源并產生熱量，限制了它們的速度和效率。為了解決這些問題，研究人員找到了一個意想不到的解決方案：用光而不是電來計算。

德國科技公司Q.ANT最近的一項突破有望重新定義人工智能芯片的生產方式，引領全球計算機更快、更環保、更強大。

在斯圖加特的一家高科技工廠，工程師們推出了一條專門用于生產光子人工智能芯片的先進生產線。這些芯片采用薄膜鈮酸鋰 (TFLN)，這是一種非常適合管理光信號的特殊材料。這種材料能夠極快地控制光波，且不會產生過多的熱量。

通過利用現有的半導體工廠并對其進行升級，新方法顯著降低了成本，并加速了人工智能處理器的開發。這項投資1400萬歐元的創新技術有望重塑全球芯片制造業，為其他國家提升自身技術生產能力樹立典范。

據研發該公司的首席執行官 Michael F?rtsch 博士介紹，這項技術為“人工智能芯片制造樹立了新的標桿”，旨在提高半導體生產的能源效率和獨立性。

光子芯片，也稱為光子神經處理單元 (NPU)，是一種利用光而非電進行計算的尖端處理器。與依賴電子在金屬線中運動的傳統電子芯片不同，光子芯片通過蝕刻在硅基板上的波導、調制器和其他光學元件來操縱光子（光的粒子）。

這種介質的轉變使得光子 NPU 能夠比傳統處理器更快、更高效地執行某些計算，尤其是與人工智能 (AI) 和神經網絡相關的計算。

光子NPU的核心是光干涉的概念。光波可以根據其相位和振幅進行組合或抵消，這一特性可用于執行矩陣乘法——這是AI工作負載中的核心運算。

例如，當光穿過可編程干涉儀網絡時，它可以被配置成表示神經網絡中使用的權重矩陣。輸出端的干涉圖案結果與計算數據相對應，從而有效地以光速執行復雜的運算。

光子芯片的一大優勢在于其能夠通過波分復用技術同時處理多個數據流。每種波長（或顏色）的光都可以承載各自的信息流，從而實現高吞吐量的并行處理，而不受傳統芯片受熱和電性能限制的影響。這意味著光子NPU可以實現極高的帶寬和更低的延遲，同時功耗更低。

此外，光子芯片天然適用于模擬計算。與將信息分解成比特的數字電子設備不同，光子系統可以表示和操作連續值，這對于信號處理和人工智能推理等任務非常有用。然而，這也帶來了一個挑戰：在模擬光學系統中保持精度和管理噪聲非常困難，因此通常采用集成光子和電子元件的混合設計。

光子芯片可將處理速度提高50倍，同時能耗降低30倍。這意味著對于管理大規模計算任務至關重要的數據中心可以運行得更快、更可持續。

F?rtsch 博士強調了這種轉變的迫切需要，并指出：“隨著人工智能和數據密集型應用將傳統半導體技術推向極限，我們需要重新思考核心計算的方式。” 光子處理器正是提供了這樣的解決方案，它提供了一種可持續的解決方案，既能滿足不斷增長的計算需求，又不會對現有基礎設施造成過大的壓力。

光子芯片的一大優勢在于其能夠以數千兆赫的頻率執行極快的光信號調整。由于這些調整過程中幾乎不產生熱量，因此它們比傳統的硅芯片運行得更精確、更高效。這種效率對于現代人工智能系統至關重要，因為機器學習、科學模擬和實時數據分析等任務需要進行大量的數學計算。

負責新生產線的半導體研究所首席執行官Jens Anders教授強調，新型光子芯片為“節能的下一代計算”設定了藍圖。他強調，現在是此類技術的最佳時機，因為人工智能及其相關應用的快速發展很快就會對傳統數據中心造成巨大威脅。

除了實驗室實驗之外，光子芯片已通過云端人工智能試驗展現其潛力。這些處理器通過標準 PCIe 接口集成到現有數據中心，可以無縫提升當前的計算配置。它們能夠高效地處理關鍵的人工智能工作負載，例如模型訓練、復雜模擬以及機器學習應用中所需的高密度數學運算。

這項技術并非旨在取代 GPU（圖形處理單元）等傳統處理器，而是對其進行補充，就像GPU目前對標準 CPU（中央處理器）進行補充一樣。“我們并非要取代 GPU，而是要重塑下一代計算生態系統。”F?rtsch 博士解釋說，并強調光子技術將成為 AI 協處理器的未來標準。

該生產線目前每年可處理多達1000片晶圓，從而支持芯片設計的持續開發和微調。該設施還作為專為高性能計算環境設計的先進服務器技術的研究中心。工程師和研究人員可以快速調整芯片架構以滿足不斷變化的市場需求，從而顯著加快從實驗室到市場的進程。

六年前，這項創新背后的團隊押注于TFLN技術。如今，這一決策帶來了顯著的優勢。他們在光子學領域的專業知識，以及對從原材料到成品的制造流程的全面掌控，使其在半導體行業中占據了獨一無二的地位。這也標志著他們朝著實現高速、低能耗計算的廣泛應用和經濟可行性邁出了關鍵一步。

制定光子芯片生產藍圖，其益處遠不止一個地區或一家公司。它為其他致力于加強半導體產業的國家提供了一個典范。目前，全球半導體生產嚴重依賴于幾個關鍵地區。任何中斷都可能造成嚴重后果，影響從汽車制造到關鍵醫療技術等各個領域。

這種新的光子芯片生產方法有助于擺脫對全球供應鏈的依賴。采用類似制造方法的國家可以生產自己的先進處理器，增強抵御未來中斷的能力。這一戰略為實現更加分布式和穩定的半導體產業提供了一條切實可行的途徑。

該公司的最終目標雄心勃勃但又明確：到 2030 年，讓光子處理器成為全球人工智能基礎設施的重要組成部分。“到 2030 年，我們的目標是讓我們的光子處理器成為人工智能基礎設施可擴展、節能的基石，”F?rtsch 博士說道，并強調了對可持續重塑技術的長期承諾。

計算領域將迎來變革性的影響。數據中心將變得更冷、更快，運營成本也將大幅降低。科學研究和行業應用將加速發展，推動醫學、氣候建模和機器人技術領域的創新以前所未有的速度發展。

這項突破并非僅僅是漸進式的改進，而是一次巨大的轉變。光子處理器利用光的力量，有望在速度、效率和可持續性方面實現顯著提升。它們不僅代表著更先進的技術，更代表著更智能的技術，完美契合人工智能驅動的未來。

有了光子計算，傳統芯片的瓶頸可能很快就會成為遙遠的記憶。隨著這項技術的規模化和主流化，創新的可能性將無限廣闊。人工智能驅動的行業、研究機構，甚至您的個人科技設備，都可能很快在速度和效率上實現顯著飛躍。

在快速發展的數字世界中，光子芯片提供的不僅僅是技術進步；它們還為可持續的計算未來提供了一條更清晰、更光明的道路。

https://www.thebrighterside.news/post/worlds-first-photon-based-npu-is-50x-faster-and-uses-30x-less-power/

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