光子計算發展的新契機

如果光子可以如電子般的攜帶訊息，自然它可以同時應用於通訊和計算。 
 
光子最早應用於遠距通訊，譬如過去網際網路應用中以光纖替代電話線，自然是以光子替代電子來攜帶訊息。 
 
最近光子通訊再被提上檯面是因為AI伺服器。未來大部分通訊會發生在晶片與晶片之間、伺服器與伺服器之間，巨量的訊息傳輸是目前訊息的處理、傳輸中最損耗能量的部分。 
 
但是現在伺服器晶片的設計於傳統PPA（Performance、Power、Area）的考量中傾向對於效能的追求，低功耗與散熱的需求在設計階段就顧不上了，只好在製程與先進封裝中講究。這是矽光子被排到半導體時程上的最大動力。 
 
光子能用於通訊，能否用於計算呢？在1960、70年代發明雷射、類比訊號處理時，光子計算（photonic computing）的概念就啟動了，80年代開始研發光子元件。90年代要走向應用、量產時，為時已晚。90年代初的先進製程大慨在0.5~0.8微米之間，但是光子元件的尺度大多在微米以上，在晶圓上難以製作出功能可以與電子元件匹敵的產品。之後，就愈差愈遠了。 
 
光子計算再度被認真考慮也是因為AI的興起。AI的計算，不管是卷積神經網路（Convolutional Neural Network；CNN）或者是在大型語言模型中使用的變換器（transformer）模型，其最底層的計算都是矩陣乘法的平行運算。資料量大，但是演算法相對單一，這是光子計算的良好應用場域。 
 
2016年沈亦晨（Yichen Shen）及其研究夥伴提出用光子計算來處理深度學習的想法。 
 
光子元件種類繁多，在此應用被選中當成類似半導體線路基礎元件電晶體的是馬赫-曾德干涉儀（Mach-Zender Interferometer；MZI）。 

MZI是矽光子的基礎元件，常用來調制（modulate）光的相位（phase）。當光進入MZI後，首先經過分光器（splitter），光被分離成2束而在個別的光路（optical path）上前進。在其中一條光路上光不再受任何作用；另一條光路上，有一個可控的電壓可以施加在光路的構成物質，改變物質的折射率（refractive index），進而改變在此光路上光的相位。最後2條光路上的光再合併（recombine），二者會相互干涉。如果其中有一光路受到相調控，2束光會形成破壞性干涉（destructive interference），而在2個光路出口所測得的光強度（intensity）會有所不同。這就是MZI可以如電晶體用於計算的原理。 
 
MZI就是光積體電路（Photonics Integrated Circuit；PIC）的基礎單元，利用MZI可以組成光積體電路來計算矩陣相乘，這就是光子計算於AI的應用場域。 
 
光子計算可以利用薛汀格微梳（Schrodinger microcomb）大幅提高計算效能。薛汀格微梳是用連續波（continuous wave）雷射光源分離為在頻率空間等間距的多重光源，可以用於平行計算。一個微梳可以產生數十乃至於數百個頻率的光線，用於平行計算。在某種程度上，薛汀格微梳大幅的彌補一般光元件尺度較大的缺陷。 
 
2016年光子計算方案提出時，矽光子的技術離成熟還很遠。在過去「異質整合藍圖」（Heterogeneous Integration Roadmap；HIR）進程中，2020年矽光子才會上場，實際上矽光子的量產時程遠遲於此。 
 
最近提議的用鉭酸鋰（LiTaO3）來做矽光子元件，進一步提高用MZI來做光子計算的可行性。 
 
鉭酸鋰在5G世代已開始使用，是與半導體製程相容的材料。它的製作成本低，且有幾個物理特性適合MZI的製作。1. 低雙折射性（low birefringence），線路設計簡單，可以提高光元件密度；2. 低光學損耗（low photon loss），傳導信號容易維持；3. 可以製作高效能MZI。用它做的MZI可達40 GHz的電光頻寬（electro-optical bandwidth），並且擁有1.9V•cm的半波電壓長度積（half wavelength voltage length product，這數字代表使光相位反轉180°所需的電壓乘以長度，愈小愈容易調製相位）。 
 
光子計算理論上速度快、功耗低，是現在計算面臨各種物理壁障的可能出路之一。過去因為矽光子的技術未臻成熟，光元件的尺寸遠大於微電子元件的尺寸，所以光子計算一直未能浮上檯面。現在藉著AI伺服器的興起驅動矽光子技術的發展，獲得額外的產業推動助力，搭乘順風車。應用上選擇與AI高度相關的ASIC類型的計算，再看能否有個起始的立足點。