随着研究人员通过光子学克服了摩尔定律的局限，计算机领域的新纪元正悄然来临。

这一尖端方法提高了处理速度，并大幅降低了能耗，可能为人工智能和机器学习应用带来革命性变革。

光子学：潜在的游戏规则改变者

几十年来，计算机和智能手机的电路一直在不断变小、功能越来越强大，这符合摩尔定律的发展趋势。然而，由于物理极限，如芯片上所能容纳的晶体管的最大数量以及密集元件所产生的热量，这一持续进步的时代即将结束。因此，性能提升的步伐正在放缓，尽管随着人工智能和机器学习等数据密集型技术的不断发展，计算能力需求仍在持续增长。

为克服这些挑战，需要采取创新的解决方案。其中一个颇有前景的方法是光子学，它使用光而不是电来处理信息。光子学具有显著优势，包括能耗更低、数据传输更快且延迟减少。

其中最有前景的方法之一是内存计算，这需要用到光子存储器。光信号通过这些存储器，就可以实现几乎即时的运算。但是，为创建此类存储器而提出的解决方案面临着切换速度低和可编程性有限等挑战。

光子技术取得突破

现在，一个国际研究团队开发了一种突破性的光子平台，以克服这些限制。他们的研究成果发表在《自然·光子学》杂志上。

该项目由凯里亚里大学的助理教授保罗·平图斯担任项目科学家，并与加州大学圣塔芭芭拉分校电气与计算机工程（ECE）教授约翰·鲍尔斯、ECE副教授加兰·穆迪、匹兹堡大学的内森·扬布拉德、东京理科大学教授裕也庄司，以及鲍尔斯实验室的博士马里奥·杜蒙特共同协作完成。

高速高效的光子存储器

研究人员使用了一种磁光材料——铈掺杂钇铁石榴石（YIG），其光学特性会根据外部磁场动态变化。他们利用微小的磁体来存储数据并控制光在材料内的传播，从而开创了一类新型的磁光存储器。这一创新平台利用光进行计算，其速度和效率远高于传统电子设备所能达到的水平。

这种新型存储器的开关速度比目前最先进的光子集成技术快100倍。其能耗约为后者的十分之一，且可多次重新编程以执行不同的任务。虽然目前最先进的光学存储器使用寿命有限，最多只能写入1000次，但该团队证明，磁光存储器的重写次数可超过23亿次，相当于具有无限的使用寿命。

以光革新计算

平图斯（Pintus）说：“这些独特的磁光材料使得通过外部磁场控制光在其中的传播成为可能。在这个项目中，我们使用电流对微磁体进行编程并存储数据。这些磁体控制光在铈钇铁石榴石（Ce:YIG）材料中的传播，从而使我们能够执行复杂的操作，例如矩阵-向量乘法，这是任何神经网络的核心。”

作者认为，这一发现可能标志着光学计算领域革命的开始，并为不久的将来的实际应用铺平了道路。

参考文献：《集成超高耐久性非互易磁光效应的光子内存计算》，作者：保罗·平图斯、马里奥·杜蒙特、维夫斯万·沙阿、东条勉、羽场裕也、黄端妮、加兰·穆迪、约翰·E·鲍尔斯和内森·扬布拉德，发表于2024年10月23日，《自然·光子学》。DOI：10.1038/s41566-024-01549-1