在过去十几年内，电子微处理器的时钟频率因散热等问题而停滞不前，每比特的功耗优化也接近极限，人们相信摩尔定律将迎来终结。由于光的诸多特性，比如低延迟和高频宽，集成光电路有望取代基于电晶体的电路来处理资讯，从而延续或超越摩尔定律。人们还可以利用複用技术提高光晶片的计算并行度和计算效率。此外，目前的制造技术可以将光子元件和电电晶体集成在同一晶片上，为电子模组和光子模组之间的晶片间和晶片内的通信铺平了道路，一些複杂的计算功能也能由积体电路和光路共同实现。
美国德州大学奥斯丁分校电子系Ray T. Chen和DaidPan联合指导的博士研究生冯程昊和合作者在光计算领域提出了一种基于波分複用光电数位比较器设计结构。该光电比较器的运行速度可以达到数十Gb每秒，在计算速度和功耗方面均优于当前基于电晶体的电子比较器。相关结果发表在Laser & Photonics Reviews（DOI：10.1002/lpor.202000275）上。
数位比较器是一种用来比较两个二进位输入的大小关係的逻辑电路，它是算数逻辑单位的重要组成部分。比较器的功能可以通过减法器（判断一输入是否大于另一输入）和相等比较器（判断两输入是否相等）两个子功能实现。比较器的运行速度由电路中输入到输出延时最长的路径“关键路径”所决定。研究团队用光路代替电路组成了电光比较器的关键路径，使比较器的总延迟大大降低。其中高速电光调制器作为电光逻辑门被电信号控制，可以实现与逻辑运算。定向耦合器或组合器可以实现或逻辑运算。同时，该研究利用波分複用技术，使减法器和相等比较器的信号可以在同一光路或器件中同时且互不干扰地传输，计算。波分複用技术减少了50%的光逻辑门数量，并降低了光电路的能耗和面积。在控制电路的説明下，该电光比较器结构还可以对不同的二进位输入类型，如定点数和浮点数执行比较。该光电路结构充分发挥了积体电路和集成光路的优势，以达到总体性能的优化。
该研究团队设计，流片，并测试了一个基于硅光子平台的2位集成电光比较器。该晶片由集成光学代工厂AIM photonics制造。测试结果表明该比较器能够以大于20Gb每秒的速率运行。而根据代工厂提供的器件性能资料，基于本研究设计的64位元光电比较器运行速度亦可达20Gb每秒，而功耗则比基于7nm工艺制造的电比较器低约2个数量级。该电光比较器的性能还会随著集成光学器件的发展而进一步提高。研究团队相信本研究提出的光电比较器将成为未来低功耗，高性能电光逻辑算术单元的一部分，并将为更多光计算晶片的设计与实现提供思路。
论文信息：
Toward High-Speed and Energy-Efficient Computing: A WDM-Based Scalable On-Chip Silicon Integrated Optical Comparator
Chenghao Feng,Zhoufeng Ying,Zheng Zhao,Jiaqi Gu,David Z. Pan,Ray T. Chen
Laser & Photonics Reviews
DOI: 10.1002/lpor.202000275
原文刊载于【InfoMat】公众号
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