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日本科学家开发出新型光子加速器大大提升运略

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来源: 作者: 2020-10-16 03:38:27

日本科学家开发出新型光子加速器,大大提升运算速度与效力

据外媒报导,近日,日本的一组研究人员开发出一款称为“PAXEL”的新型处理器。该器件有望绕过摩尔定律,提升运算速度与效率。PAXEL 代表光子加速器,安置在数字计算机前端,优化实行特定的功能,但功耗却比完全电子化的器件更低。

背景

金属氧化物半导体场效应晶体管是大多数集成电路的基础,但是它们受制于摩尔定律。摩尔定律指出:“当价格不变时,集成电路上可容纳的晶体管数目,约每隔18个月便会增加一倍,性能也将提升1倍。”

摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量(1976-2016)

但是,这里存在着一个固有的限制,这个限制基于处理器芯片的尺寸与电子的量子力学特性之间的关联方式。换句话说,5纳米可谓晶体管的物理极限。一旦晶体管尺寸低于这个数字,由于“量子隧穿效应”,电子将不再受制于欧姆定律,穿越了本来没法穿越的势垒。这样会引发集成电路的漏电现象,让晶体管变得不再可靠。

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并行处理,可以部分解决摩尔定律所带来的问题。在并行处理中,多个处理器可以同时展开运算。但是,这个方案并不是对每一个运用都有效。

创新

但是,值得庆幸的是,光子其实不遵照摩尔定律。因此,在美国物理研究所出版的《APL Photonics》期刊上发表的一篇论文中,研究人员们提出了另外一项技术,即采取光线在集成电路中传输数据。

下图所示:用于数字计算的电子集成电路的演进与瓶颈;云计算与雾计算的比较,和 PAXEL 设备的使用。

如今,许多新的科研进展都采取光子集成电路(PICs)取代电子集成电路。例如,德国明斯特大学、英国牛津大学和埃克塞特大学开发出一款新型芯片。它含有人工神经元网络,这类人工神经元能在光线作用下工作,并能够模仿人脑神经元与突触的行动。

基于光线的脑启发芯片示意图

再例如,美国麻省理工学院的研究人员开发的一款新型光子加速器,它采取更加紧凑的光学元件和光学信号处理技术,显著地降低了能耗和芯片面积。这项技术使得芯片可以扩大应用到比电子神经网络大几个数量级的光学神经网络上。

PAXEL 加速器也采取了这个方法,并采取节能的纳米光子器件,纳米光子器件是非常小的光子集成电路。

技术

纳米光子器件,例如 PAXEL 中采取的那些器件,以光速运行,并通过模拟的方式展开计算,将数据映照到不同的光强度等级上,然后以不同的光强度实行乘法或加法。研究人员推敲将不同的 PAXEL 架构,应用于人工神经网络、储备池计算、门逻辑、决策和紧缩感知等各个领域。

一个特别有意思的 PAXEL 应用就是所谓的雾计算。这类计算方式类似于云计算,但却采取靠近“地面(事件初始产生的地方)”的计算资源(服务器)。平板电脑或其他手持设备中的小型 PAXEL 能够检测信号,并通过5G无线链路向附近的雾计算资源传输信息,进行数据分析。

移动的硬件加速器通过5G网络与边沿计算/雾计算通讯

价值

这项新技术有望应用于一系列领域,包括医疗和兽医床边检测、诊断、药物和食品检测、生物防卫等。随着愈来愈多的家用和商用装备联网,我们愈来愈需要更好的计算能力,包括以更高的能量效力传输数据。像 PAXEL 这样的进展将有助于满足这些需求。

关于加速器

加速器是一种使带电粒子增加速度(动能)的装置。 加速器可用于原子核实验、放射性医学、放射性化学、放射性同位素的制造、非破坏性探伤等。粒子增加的能量一般都在0.1兆电子伏以上。

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