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3D光子芯片模块。图片来源：Keren Bergman

人工智能（AI）系统有望带来变革性的进步，但其发展一直受到能源效率低下和数据传输瓶颈的限制。哥伦比亚大学工程学院的研究人员公布了一项突破性的解决方案：一种 3D 光电平台，实现了前所未有的能源效率和带宽密度，为下一代人工智能硬件铺平了道路。

该项研究名为“用于超低能耗、高带宽密度芯片数据链路的 3D 光子学”，由电气工程系 Charles Batchelor 教授 Keren Bergman 领导，发表于《自然光子学》杂志。

该研究详细介绍了一种将光子学与先进的互补金属氧化物半导体 (CMOS) 电子技术相结合的开创性方法，以重新定义节能、高带宽数据通信。这项创新解决了数据传输中的关键挑战，而数据传输是实现更快、更高效的人工智能技术的长期障碍。

“在这项研究中，我们提出了一项能够以前所未有的低能耗传输大量数据的技术”伯格曼说。“这项创新突破了长期以来限制传统计算机和人工智能系统中数据移动的能源障碍。”

电气工程研究生、论文合著者迈克尔·卡伦 (Michael Cullen) 与凯伦·伯格曼 (Keren Bergman)（前景）在光波研究实验室一起工作。

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图片来源：Timothy Lee/哥伦比亚工程学院

数据通信的突破

哥伦比亚工程队与康奈尔大学的 Alyosha Christopher Molnar、Ilda 和 Charles Lee 工程学教授合作，开发出了一种 3D 集成光子电子芯片，该芯片在紧凑的芯片空间内拥有 80 个光子发射器和接收器的高密度。

该平台提供高带宽（800 Gb/s），能效极高，每比特仅消耗 120 飞焦耳。带宽密度为 5.3 Tb/s/mm 2，这一创新远远超出了现有基准。

该芯片专为低成本而设计，将光子器件与 CMOS电子电路集成在一起，并利用商业代工厂生产的组件，为广泛的行业采用奠定了基础。

革命性的人工智能硬件

该团队的研究重新定义了数据在计算节点之间的传输方式，解决了长期存在的能源效率和可扩展性瓶颈问题。

该技术通过 3D 集成光子和电子芯片，实现了无与伦比的节能和高带宽密度，摆脱了传统数据局部性限制。该创新平台使 AI 系统能够高效传输大量数据，支持之前由于能源和延迟限制而不切实际的分布式架构。

由此产生的进步将实现前所未有的性能水平，使这项技术成为未来跨应用计算系统的基石，从大规模人工智能模型到自主系统中的实时数据处理。

除了人工智能之外，这种方法还为高性能计算、电信和分解式存储系统带来了变革潜力，标志着节能、高速计算基础设施新时代的到来。

该合作研究包括康奈尔大学莫尔纳实验室、空军研究实验室和达特茅斯学院的参与。

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