MEMS光開關(guān)，迎來替代者

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光線扭曲物理學(xué)使“隱形斗篷”成為可能。如今，兩家初創(chuàng)公司希望利用這項(xiàng)技術(shù)背后的科學(xué)原理來提升數(shù)據(jù)中心的帶寬并加快人工智能的運(yùn)行速度。

大約20年前，科學(xué)家們研制出了第一批能夠使光線繞過物體從而隱藏物體的 結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)由光學(xué)超材料構(gòu)成——這種材料的結(jié)構(gòu)尺寸小于其所要操控的光波長，因此能夠以意想不到的方式彎曲光線。

光學(xué)隱形斗篷的問題是什么？“它們沒有市場，”位于德克薩斯州奧斯汀的光子計算初創(chuàng)公司Neurophos的聯(lián)合創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官帕特里克·鮑文說道。例如，每個光學(xué)隱形斗篷通常只能對單一顏色的光起作用，而不是像隱身應(yīng)用所需要的那樣對所有可見光都有效。

如今，各公司正在探索隱形斗篷背后的科學(xué)原理在實(shí)際應(yīng)用中的更多可能性，例如改進(jìn)數(shù)據(jù)中心中用于人工智能和其他云服務(wù)的計算機(jī)連接交換機(jī)。越來越多的數(shù)據(jù)中心正尋求使用光路交換機(jī)來克服傳統(tǒng)電子交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)的帶寬限制和功耗問題，因?yàn)閭鹘y(tǒng)電子交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)需要多次進(jìn)行光到電子的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

然而，當(dāng)今的光開關(guān)技術(shù)也存在自身的缺點(diǎn)。例如，依賴硅光子學(xué)的光開關(guān)技術(shù)面臨能源效率問題，而依賴微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的光開關(guān)技術(shù)則可能不夠可靠，位于華盛頓州雷德蒙德的光學(xué)超表面初創(chuàng)公司Lumotive的首席執(zhí)行官Sam Heidari表示。

Lumotive公司另辟蹊徑，開發(fā)出具有可調(diào)特性的超材料。其于3月19日首次亮相的新型微芯片，表面覆蓋著采用標(biāo)準(zhǔn)芯片制造工藝打造的銅結(jié)構(gòu)。在這些銅結(jié)構(gòu)之間嵌入了液晶元件。這些液晶元件的結(jié)構(gòu)可以像液晶顯示器（LCD）一樣進(jìn)行電子編程，從而改變超材料芯片的光學(xué)特性。

據(jù) Lumotive 公司稱，這種微芯片能夠精確地控制、聚焦、調(diào)整和分割從其表面反射的光束。它無需任何移動部件，即可實(shí)時、可編程地執(zhí)行多個光學(xué)元件的所有功能。“沒有移動部件顯著提高了可靠性，”Heidari 表示。

“我們必須在代工廠進(jìn)行大量的研發(fā)工作，不僅要使我們的設(shè)備能夠正常工作，還要在成本和可靠性方面實(shí)現(xiàn)商業(yè)可行性，”海達(dá)里說。

該公司表示，其新型芯片不僅能夠處理業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的 256×256 端口，而且可擴(kuò)展至 10,000×10,000 端口。“我們認(rèn)為這將徹底改變數(shù)據(jù)中心的格局，”Heidari 表示。Lumotive 計劃于 2026 年底推出其首款光交換機(jī)。

利用超材料進(jìn)行光學(xué)計算

同樣，Neurophos公司希望其技術(shù)能夠?yàn)槿斯ぶ悄軒碜兏铩Ｓ捎谌斯ぶ悄茉趥鹘y(tǒng)電子設(shè)備上運(yùn)行能耗巨大，科學(xué)家們正在探索光計算作為一種低功耗替代方案，即用光而不是電子來處理數(shù)據(jù)。

然而，鮑文表示，目前正在研發(fā)的光學(xué)處理器通常體積過大，無法達(dá)到與最先進(jìn)的電子處理器相媲美的計算密度。Neurophos公司稱，他們可以利用超材料制造光調(diào)制器（相當(dāng)于光學(xué)晶體管），其尺寸僅為目前采用標(biāo)準(zhǔn)芯片制造工藝設(shè)計的萬分之一。“這完全是CMOS工藝，”鮑文說，“其中不使用任何特殊材料。”

當(dāng)編碼數(shù)據(jù)的激光束照射到Neurophos芯片上時，每個超材料元件的配置方式會改變反射光束，從而編碼復(fù)雜人工智能任務(wù)的結(jié)果。“我們基本上是在芯片上一個5毫米×5毫米的微小區(qū)域內(nèi)集成了一個1000×1000的光調(diào)制器陣列，”Bowen說道。“如果用現(xiàn)成的硅光子器件來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，芯片的尺寸將達(dá)到一平方米。”

總而言之，Bowen 聲稱 Neurophos 的微芯片將比英偉達(dá) Blackwell 系列 GPU 提供 50 倍的計算密度和 50 倍的能效。該公司表示，全球最大的云服務(wù)提供商——超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心運(yùn)營商——將在今年評估兩款即將推出的概念驗(yàn)證芯片。Neurophos 計劃于 2028 年初推出首批系統(tǒng)，并于 2028 年年中開始量產(chǎn)。

（來源：編譯自IEEE）

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