光子學(xué)是一個(gè)很有前途的研究領(lǐng)域，專(zhuān)注于光科學(xué)及其在高性能技術(shù)中的可能用途。近年來(lái)，學(xué)術(shù)界和電子公司推出了范圍廣泛的組件來(lái)生成、操縱、放大或檢測(cè)光，包括光子集成電路 (PIC)。
PIC 包含兩個(gè)或多個(gè)利用光子（光粒子）而不是電子的組件，亞原子粒子支持傳統(tǒng)電子組件的運(yùn)行。據(jù)說(shuō) PIC 能比傳統(tǒng)集成電路 (IC) 更有效地傳輸和處理數(shù)據(jù)，因此它們對(duì)于人工智能 (AI) 等 計(jì)算要求高的應(yīng)用特別有價(jià)值。
去年8月份，EETOP介紹了一家西班牙初創(chuàng)公司iPronics正致力于開(kāi)發(fā)可編程計(jì)算光子芯片，籌集370 萬(wàn)美元用于開(kāi)發(fā)現(xiàn)場(chǎng)可編程光子門(mén)陣列 (FPPGA) 芯片。該公司一直在開(kāi)發(fā)基于復(fù)雜光學(xué)硬件的可編程光子系統(tǒng)，可以適應(yīng)不同應(yīng)用的需求。這家光子技術(shù)公司由歐盟 (EU) 的地平線歐洲中小企業(yè)研究和創(chuàng)新計(jì)劃資助。
FPPGA是一種新型的FPGA，其全稱(chēng)為“Fully Programmable Power Gating Array”，中文名為“全可編程電源門(mén)極陣列”。與傳統(tǒng)的FPGA相比，F(xiàn)PPGA具有更高的能效和更低的功耗。這主要得益于其采用了一種新型的功率門(mén)控技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的功率控制和管理。
FPPGA的功率門(mén)控技術(shù)主要包括以下幾個(gè)方面：
功率門(mén)控單元
FPPGA中的每個(gè)邏輯塊都配備了一個(gè)功率門(mén)控單元，用于控制邏輯塊的電源供應(yīng)。功率門(mén)控單元可以根據(jù)需要對(duì)邏輯塊進(jìn)行動(dòng)態(tài)開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)精細(xì)的功率管理，從而節(jié)省功耗和提高能效。
功率模式控制器
FPPGA中還配備了功率模式控制器，用于控制整個(gè)芯片的功率模式。功率模式控制器可以根據(jù)芯片的工作狀態(tài)和功耗需求，自動(dòng)切換不同的功率模式，從而實(shí)現(xiàn)最佳的功率管理和能效優(yōu)化。
功率域劃分技術(shù)
FPPGA中采用了功率域劃分技術(shù)，將芯片按照功率需求劃分為多個(gè)功率域。每個(gè)功率域都有獨(dú)立的功率門(mén)控單元和功率模式控制器，可以實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的功率管理和能效優(yōu)化。
功率門(mén)控算法
FPPGA中還采用了一種新型的功率門(mén)控算法，用于實(shí)現(xiàn)更加精細(xì)的功率控制和管理。這種算法可以根據(jù)芯片的工作狀態(tài)和功耗需求，動(dòng)態(tài)調(diào)整邏輯塊的電源供應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)最佳的功率管理和能效優(yōu)化。
接下來(lái)讓我們了解一下iPronics FPPGA的基本信息以及如何實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。
可編程光子芯片
由 iPronics 創(chuàng)建的可編程 C 波段光子芯片，稱(chēng)為Smartlight 處理器，由 72 個(gè)以六邊形配置排列的調(diào)諧單元以及 64 個(gè)輸入/輸出端口組成。該芯片的光學(xué)硬件可以通過(guò)附帶的用戶(hù)友好軟件進(jìn)行編程和配置，以滿(mǎn)足不同應(yīng)用的需求。
“iPronics 于 2019 年從瓦倫西亞技術(shù)大學(xué)分離出來(lái)，正在使光子學(xué)的計(jì)算能力在商業(yè)上可用且價(jià)格合理，” iPronics 的首席執(zhí)行官 Mark Halfman 說(shuō)。“我們開(kāi)創(chuàng)了可編程光子學(xué)領(lǐng)域，并開(kāi)發(fā)出第一款能夠以前所未有的靈活性對(duì)片上高速光信號(hào)進(jìn)行編程的通用光子處理器。”
iPronics Smartlight 處理器可以提高不同電子設(shè)備的處理能力，以光速傳輸數(shù)據(jù)，同時(shí)顯著降低功耗。值得注意的是，該芯片的功耗比傳統(tǒng)電子 IC 低 10 倍，同時(shí)處理的信息量更大，工作速度提高 20 倍。
“iPronics 可編程處理器共享一個(gè)可通過(guò)軟件重新配置的通用硬件平臺(tái)，”Halfman 解釋道。“這種具有成本效益的解決方案使相同的硬件能夠應(yīng)用于對(duì)計(jì)算能力有強(qiáng)烈需求的無(wú)限商業(yè)應(yīng)用，包括 5G/6G 通信、數(shù)據(jù)中心、人工智能、自動(dòng)駕駛、量子計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)。”
使光子芯片更容易獲得
雖然許多研究已經(jīng)探索和展示了光子微芯片的潛力，但到目前為止，很少有光子芯片被商業(yè)化和大規(guī)模部署。原因之一是實(shí)施這些 IC 并針對(duì)特定用途調(diào)整它們通常需要了解其獨(dú)特的光驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。
iPronics 的主要任務(wù)是創(chuàng)建可以輕松適應(yīng)不同用例的光子技術(shù)，即使使用它們的工程師和公司只對(duì)光子學(xué)有基本的了解。自發(fā)布以來(lái)，iPronics 的芯片已被多家專(zhuān)門(mén)從事消費(fèi)電子和電信設(shè)備制造的公司購(gòu)買(mǎi)。
“iPronics 正在提供一個(gè)完整的光子處理器平臺(tái)，其中包括可重構(gòu)光子 IC、控制電子設(shè)備和編程軟件，”Halfman 說(shuō)。“到目前為止，光子集成電路的實(shí)施需要集成光子 IC 設(shè)計(jì)和光學(xué)封裝方面的全面專(zhuān)業(yè)知識(shí)。通過(guò)為客戶(hù)提供可重新編程的軟件實(shí)現(xiàn)，我們降低了進(jìn)入的技術(shù)壁壘，使各種復(fù)雜光子電路的實(shí)施成為可能，并開(kāi)辟了更廣泛的應(yīng)用和市場(chǎng)。”
邁向光驅(qū)動(dòng)創(chuàng)新
iPronics 成立于 COVID-19 疫情爆發(fā)之前，已經(jīng)在廣泛引入光子技術(shù)。其通用光子處理器很快就會(huì)被全球越來(lái)越多的公司采用，并集成到一系列設(shè)備中，從而提高它們的性能和能效。
“當(dāng)今市場(chǎng)上絕大多數(shù)光子芯片都是專(zhuān)用固定功能芯片，”Halfman 說(shuō)。“iPronics 解決方案的一個(gè)獨(dú)特要素是芯片的可重新配置性，它通過(guò)顯著加快上市時(shí)間、降低總成本和風(fēng)險(xiǎn)緩解來(lái)解鎖新的商業(yè)應(yīng)用。”
SmartLight 處理器對(duì)于新的和計(jì)算要求高的應(yīng)用程序可能特別有利。例如，它可用于更高效地處理 5G 和 6G 信號(hào)，或滿(mǎn)足數(shù)據(jù)中心和人工智能 (AI) 工具的高計(jì)算需求。它還可以集成到光學(xué)/射頻設(shè)備、衛(wèi)星通信技術(shù)、激光雷達(dá)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)中，以提高它們的處理速度和能效。