MEMS光开关，迎来替代者

来源：半导体行业观察

光线扭曲物理学使“隐形斗篷”成为可能。如今，两家初创公司希望利用这项技术背后的科学原理来提升数据中心的带宽并加快人工智能的运行速度。

大约20年前，科学家们研制出了第一批能够使光线绕过物体从而隐藏物体的 结构。这些结构由光学超材料构成——这种材料的结构尺寸小于其所要操控的光波长，因此能够以意想不到的方式弯曲光线。

光学隐形斗篷的问题是什么？“它们没有市场，”位于德克萨斯州奥斯汀的光子计算初创公司Neurophos的联合创始人兼首席执行官帕特里克·鲍文说道。例如，每个光学隐形斗篷通常只能对单一颜色的光起作用，而不是像隐身应用所需要的那样对所有可见光都有效。

如今，各公司正在探索隐形斗篷背后的科学原理在实际应用中的更多可能性，例如改进数据中心中用于人工智能和其他云服务的计算机连接交换机。越来越多的数据中心正寻求使用光路交换机来克服传统电子交换机和网络的带宽限制和功耗问题，因为传统电子交换机和网络需要多次进行光到电子的数据转换。

然而，当今的光开关技术也存在自身的缺点。例如，依赖硅光子学的光开关技术面临能源效率问题，而依赖微机电系统（MEMS）的光开关技术则可能不够可靠，位于华盛顿州雷德蒙德的光学超表面初创公司Lumotive的首席执行官Sam Heidari表示。

Lumotive公司另辟蹊径，开发出具有可调特性的超材料。其于3月19日首次亮相的新型微芯片，表面覆盖着采用标准芯片制造工艺打造的铜结构。在这些铜结构之间嵌入了液晶元件。这些液晶元件的结构可以像液晶显示器（LCD）一样进行电子编程，从而改变超材料芯片的光学特性。

据 Lumotive 公司称，这种微芯片能够精确地控制、聚焦、调整和分割从其表面反射的光束。它无需任何移动部件，即可实时、可编程地执行多个光学元件的所有功能。“没有移动部件显著提高了可靠性，”Heidari 表示。

“我们必须在代工厂进行大量的研发工作，不仅要使我们的设备能够正常工作，还要在成本和可靠性方面实现商业可行性，”海达里说。

该公司表示，其新型芯片不仅能够处理业界标准的 256×256 端口，而且可扩展至 10,000×10,000 端口。“我们认为这将彻底改变数据中心的格局，”Heidari 表示。Lumotive 计划于 2026 年底推出其首款光交换机。

利用超材料进行光学计算

同样，Neurophos公司希望其技术能够为人工智能带来变革。由于人工智能在传统电子设备上运行能耗巨大，科学家们正在探索光计算作为一种低功耗替代方案，即用光而不是电子来处理数据。

然而，鲍文表示，目前正在研发的光学处理器通常体积过大，无法达到与最先进的电子处理器相媲美的计算密度。Neurophos公司称，他们可以利用超材料制造光调制器（相当于光学晶体管），其尺寸仅为目前采用标准芯片制造工艺设计的万分之一。“这完全是CMOS工艺，”鲍文说，“其中不使用任何特殊材料。”

当编码数据的激光束照射到Neurophos芯片上时，每个超材料元件的配置方式会改变反射光束，从而编码复杂人工智能任务的结果。“我们基本上是在芯片上一个5毫米×5毫米的微小区域内集成了一个1000×1000的光调制器阵列，”Bowen说道。“如果用现成的硅光子器件来实现这一点，芯片的尺寸将达到一平方米。”

总而言之，Bowen 声称 Neurophos 的微芯片将比英伟达 Blackwell 系列 GPU 提供 50 倍的计算密度和 50 倍的能效。该公司表示，全球最大的云服务提供商——超大规模数据中心运营商——将在今年评估两款即将推出的概念验证芯片。Neurophos 计划于 2028 年初推出首批系统，并于 2028 年年中开始量产。

（来源：编译自IEEE）