几十年来，电子芯片为从智能手机、计算机到运行人工智能的服务器等几乎所有数字设备提供动力。但随着现代计算机中数据量的持续增长，研究人员和芯片制造商正越来越多地探索另一种处理和移动信息的方式——光。

这就是光子芯片的用武之地。与传统电子芯片主要依赖电信号不同，光子芯片（又称光子集成电路）利用光子和微型光学组件来操纵光。然而，这两种技术并非简单的竞争者，研究人员正日益寻求将电子学与光子学结合在同一计算系统中的途径。

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。硅被广泛使用，因为其电学特性可被精确控制，允许制造商在单个集成电路中构建数十亿个微型开关。

这些晶体管通过切换电信号的开关状态来执行计算、存储和操作信息，以及控制其他硬件。这种方法已极为成熟，仍是现代计算的基石。

问题在于，通过电信号移动海量信息会消耗大量功率并产生热量。这在数据中心中尤为重要——处理器和加速器必须不断交换海量数据。这正是工程师们探索以光作为信息移动替代方案的原因之一。

光子芯片的工作原理

光子芯片使用光而非电信号来实现部分或全部功能。除了晶体管，这些芯片还可包含激光器、波导、调制器、滤波器和光电探测器等组件。波导在芯片内引导光，而调制器可将信息编码到光信号上。

一个关键点是：光子芯片不一定完全取代电子器件。许多系统仍需要电子电路来控制光学组件、将电信号转换为光信号，以及再转换回来。这正是硅光子技术备受关注的原因——它将光学组件与硅基电子器件的制造优势相结合。

为何用光替代电？

光子学的最大优势在于数据移动。光可以承载海量信息，且光连接可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的处理器、内存和网络设备时极具吸引力。

例如，英特尔正在开发集成光子技术，将光连接推向更靠近计算硬件的位置。光子学系统还可降低特定高速连接的能耗。

美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员将电子学与光子学的结合描述为将数字计算的可扩展性与光信号的高带宽相结合的方式。对于AI系统——其中海量数据必须在处理器之间移动——这种区别可能变得愈发重要。

为何不全面采用光子？

因为电子学在多种计算形式中仍然表现出色。光子电路自身也面临工程挑战：产生、探测和控制光需要专用组件，而将激光器与硅集成颇具难度，因为硅本身并非高效的光产生材料。

NIST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技术。此外，光子学并不会自动让所有计算变得更快或更高效——其当前最大优势往往在于移动信息，而非取代晶体管作为计算的通用构建块。

未来：两者的结合

更可能的未来并非电子学的消失，而是两种技术的更紧密合作。电子电路可处理密集的逻辑、控制和计算，而光子组件可在计算系统的不同部分之间移动海量信息。

NIST和业界研究人员已在致力于将光子学直接与CMOS电子学集成，用于高速通信和计算架构。

简而言之：电子芯片极其擅长处理信息，而光子芯片极其擅长用光移动信息。因此，未来最强大的系统很可能同时使用两者，让电子和光子各自发挥其最擅长的职能。

来源：Interesting Engineering科普文章，引用NIST及英特尔公开研究信息