據(jù)外媒報(bào)道，日本研究人員開發(fā)出一款稱為“PAXEL”的新型處理器。該器件有望繞過摩爾定律，提升運(yùn)算速度與效率。PAXEL 代表光子加速器，安放在數(shù)字計(jì)算機(jī)前端，優(yōu)化執(zhí)行特定的功能，但功耗卻比完全電子化的器件更低。

背景

金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管是大多數(shù)集成電路的基礎(chǔ)，但是它們受制于摩爾定律。摩爾定律指出：“當(dāng)價格不變時，集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔18個月便會增加一倍，性能也將提升一倍?！?/span>

然而，這里存在著一個固有的限制，這個限制基于處理器芯片的尺寸與電子的量子力學(xué)特性之間的關(guān)聯(lián)方式。換句話說，5納米堪稱晶體管的物理極限。一旦晶體管尺寸低于這個數(shù)字，由于“量子隧穿效應(yīng)”，電子將不再受制于歐姆定律，穿越了本來無法穿越的勢壘。這樣會引起集成電路的漏電現(xiàn)象，讓晶體管變得不再可靠。

并行處理，可以部分解決摩爾定律所帶來的問題。在并行處理中，多個處理器可以同時展開運(yùn)算。然而，這個方案并不是對每個應(yīng)用都有效。

創(chuàng)新

然而，值得慶幸的是，光子并不遵守摩爾定律。因此，在美國物理研究所出版的《APL Photonics》期刊上發(fā)表的一篇論文中，研究人員們提出了另一項(xiàng)技術(shù)，即采用光線在集成電路中傳輸數(shù)據(jù)。

下圖所示：用于數(shù)字計(jì)算的電子集成電路的演進(jìn)與瓶頸；云計(jì)算與霧計(jì)算的對比，以及 PAXEL 設(shè)備的使用。

如今，許多新的科研進(jìn)展都采用光子集成電路（PICs）取代電子集成電路。例如，德國明斯特大學(xué)、英國牛津大學(xué)和埃克塞特大學(xué)開發(fā)出一款新型芯片。它含有人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)，這種人工神經(jīng)元能在光線作用下工作，并能夠模仿人腦神經(jīng)元與突觸的行為。

再例如，美國麻省理工學(xué)院的研究人員開發(fā)的一款新型光子加速器，它采用更加緊湊的光學(xué)元件和光學(xué)信號處理技術(shù)，顯著地降低了能耗和芯片面積。這項(xiàng)技術(shù)使得芯片可以擴(kuò)展應(yīng)用到比電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大幾個數(shù)量級的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)上。

PAXEL 加速器也采用了這個方法，并采用節(jié)能的納米光子器件，納米光子器件是非常小的光子集成電路。

技術(shù)

納米光子器件，例如 PAXEL 中采用的那些器件，以光速運(yùn)行，并通過模擬的方式展開計(jì)算，將數(shù)據(jù)映射到不同的光強(qiáng)度等級上，然后以不同的光強(qiáng)度執(zhí)行乘法或者加法。研究人員考慮將不同的 PAXEL 架構(gòu)，應(yīng)用于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、儲備池計(jì)算、門邏輯、決策以及壓縮感知等各個領(lǐng)域。

一個特別有意思的 PAXEL 應(yīng)用就是所謂的霧計(jì)算。這種計(jì)算方式類似于云計(jì)算，但卻采用靠近“地面（事件初始產(chǎn)生的地方）”的計(jì)算資源（服務(wù)器）。平板電腦或者其他手持設(shè)備中的小型 PAXEL 能夠檢測信號，并通過5G無線鏈路向附近的霧計(jì)算資源傳輸信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

移動的硬件加速器通過5G網(wǎng)絡(luò)與邊緣計(jì)算/霧計(jì)算通信

價值

這項(xiàng)新技術(shù)有望應(yīng)用于一系列領(lǐng)域，包括醫(yī)療和獸醫(yī)床邊檢測、診斷、藥物和食品檢測、生物防衛(wèi)等。隨著越來越多的家用以及商用設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，我們越來越需要更好的計(jì)算能力，包括以更高的能量效率傳輸數(shù)據(jù)。像 PAXEL 這樣的進(jìn)展將有助于滿足這些需求。