瑞士,日內瓦梅漢。
這裏是歐洲核子研究中心的總部。地表之下100米,長達27公裡的大型強子對撞機正在進行著人類最前沿的物理實驗。
林遠和李振聲教授,在一間全遮蔽的會議室裡,見到了發來警告郵件的科學家卡洛·魯比亞。他是CERN計算部門的負責人,也是一位諾貝爾物理學獎得主。
“林先生,李教授。”魯比亞沒有寒暄,直接開啟了全息投影。
螢幕上,是一團亂麻般的波形圖。
“這是我們用你們提供的啟明-I光子晶片原型,執行LHC粒子軌跡重建演演算法時的實時資料。”
“在低負載下,一切正常。計算速度是英偉達GPU的100倍,功耗隻有1/10。”
“但是,”魯比亞指著波形的尾端,那裏出現了劇烈的抖動,“當我們將併發計算量提升到1000萬次/秒時,災難發生了。”
“計算結果開始發散。”
“1 1不再等於2。它可能等於2.001,也可能等於1.999。而且,隨著級聯計算的層數增加,這個誤差被指數級放大。”
“在第50層神經網路計算後,輸出的結果,已經變成了毫無意義的隨機數。”
“為什麼?”林遠問。
“因為量子噪聲。”
魯比亞在白板上寫下了一個公式:
ΔX?ΔP≥?/2ΔX?ΔP≥?/2
海森堡測不準原理。
“在光子計算中,我們用光的振幅和相位來攜帶資訊。但是,光子具有量子特性。你不能同時精確地知道它的振幅和相位。”
“這就是散粒噪聲。”
“對於傳統的數字晶片,這點噪聲不算什麼,因為有閾值門控。但在你們的模擬計算架構裡,噪聲就是訊號,訊號就是噪聲。”
“林先生,”魯比亞看著林遠,眼神悲憫,“你們試圖用模擬訊號去做高精度的AI訓練,這在物理學上是走不通的。”
“這就是我說的量子炸彈。”
“當算力密度達到一定閾值,量子漲落會摧毀所有的邏輯。”
江州江南之芯集團,PFL實驗室。
氣氛比在瑞士時更加壓抑。
CERN的警告被證實了。
汪韜帶著團隊,在剛剛下線的啟明-II光子晶片上,跑了一遍盤古大模型的推理任務。
結果是毀滅性的。
“精度丟失。”汪韜看著螢幕上的亂碼,臉色鐵青。
“在半精度浮點數模式下,誤差率達到了5%。這對於大模型來說,意味著模型會精神分裂,輸出全是幻覺。”
“我們試圖用軟體演演算法ECC糾錯碼來修正。”王海冰補充道,“但是,模擬計算的錯誤是隨機的,不僅有量子噪聲,還有熱噪聲、鐳射器線寬漂移、波導刻蝕粗糙度……”
“為了糾正這些錯誤,我們消耗了50%的算力去跑糾錯演演算法。”
“結果是光子晶片的速度優勢,被糾錯演演算法吃光了。”
這是一個死迴圈。
光子快,是因為它不做邏輯判斷,直接物理流過。
一旦為了精度加上邏輯判斷,它就變慢了。
如果不能解決精度問題,光子晶片隻能做做簡單的影象處理,永遠無法承載工業大腦這種需要高可靠性的任務。
“必須在物理層麵解決。”李振聲教授看著顯微鏡下的晶片,“軟體救不了硬體。”
“怎麼解決?”林遠問,“把溫度降到絕對零度?消除熱噪聲?”
“不可能。商業晶片必須在室溫下執行。”
“提高鐳射功率?提高訊雜比?”
“也不行。鈮酸鋰晶體有光折變效應。功率太高,晶體折射率會變,光路就歪了。”
路,似乎堵死了。
物理學像一堵嘆息之牆,擋在所有人麵前。
就在團隊一籌莫展時,一個意想不到的人出現了。
鮑裡斯。
那個隨同天然氣貿易協議一起來到中國的,俄羅斯數學研究所的首席密碼學家。一個頭髮蓬亂、永遠拿著伏特加酒壺的數學瘋子。
他推開了實驗室的門,看著愁眉苦臉的眾人,打了個酒嗝。
“你們在對抗海森堡?”
鮑裡斯指著白板上的測不準原理公式,笑了。
“愚蠢。”
“你們為什麼要想辦法消除噪聲?”
“為什麼不擠壓它?”
“擠壓?”李振聲愣了一下。
鮑裡斯走到白板前,畫了一個圓代表真空漲落的噪聲圓。
“這是正常的量子噪聲。在相位和振幅上是均勻分佈的。”
然後,他用力把那個圓壓扁,變成了一個橢圓。
“如果我們在一個方向上把噪聲壓扁,那麼根據測不準原理,另一個方向上的噪聲就會變大。”
“但是!”鮑裡斯的眼中閃過一絲精光,“如果我們的訊號隻編碼在振幅上,而不關心相位呢?”
“我們就可以獲得超越標準量子極限的訊雜比!”
“這就是壓縮光技術。”
李振聲猛地站了起來。
“壓縮態!LIGO引力波探測器用來探測引力波的技術!”
“對!”鮑裡斯點頭,“如果能把這種技術整合到晶片上,噪聲就能降低10倍!”
“精度問題,迎刃而解!”
理論通了。
但是,工程呢?
要產生壓縮光,需要極其強烈的非線性光學效應。
通常,這需要桌子那麼大的光學平台,和功率極高的鐳射器。
要把這套東西,塞進指甲蓋大小的晶片裡?
“我們需要一個微環諧振器。”李振聲在紙上畫了一個微小的圓環。
“光在圓環裡迴圈跑幾百萬圈,能量密度疊加,才能激發出非線性效應,產生壓縮光。”
“這就要求,這個圓環的品質因子,必須達到1000萬以上!”
“1000萬的Q值……”王海冰倒吸一口涼氣。
這意味著什麼?
意味著圓環的側壁粗糙度,不能超過1納米。
意味著圓環的波導損耗,必須低於0.01dB/m。
這比之前做的LNOI晶圓,難度又要高出一個數量級!
“我們的光刻機做不到。”王海冰絕望地說,“就算是A**L的DUV加上計算光刻,邊緣粗糙度也隻能控製在2納米左右。達不到1納米。”
“隻要有一點點粗糙,光在跑幾百萬圈的過程中,就會散射光,Q值就會掉下來。”
“加工不出來,理論就是廢紙。”
林遠看著那個圓環。
“既然刻不出來……”
“那我們就修出來。”
“修?”
“對。”林遠目光堅定,“我們用離子束脩形。”
“先用光刻機刻出一個粗糙的環。”
“然後,用高能聚焦離子束,像車床一樣,在原子級別上,把側壁磨平。”
“這……這效率太低了!”王海冰反駁,“FIB是用來做失效分析的,修一個環要幾個小時。我們要量產幾百萬個環,修到猴年馬月?”
“不用FIB。”
林遠搖了搖頭。
“我們用化學迴流。”
他想起了之前“光刻膠填坑”的經驗。
“我們在這個微環表麵,生長一層特殊的非晶材料。然後加熱,讓它表麵熔化、流平。”
“利用表麵張力,把粗糙的側壁,拉成絕對光滑的圓弧!”
“就像吹玻璃一樣!”
這是一個極其大膽的工藝設想。
方案確定,立即實驗。
但是,新的問題又來了。
“鈮酸鋰不行。”李振聲看著實驗資料,眉頭緊鎖。
“鈮酸鋰雖然是好的光子材料,但它不耐高溫。一加熱迴流,晶格就壞了。”
“我們需要一種新材料。”
“一種既能耐高溫迴流,又具有極高非線性係數的材料。”
“氮化矽。”
李振聲給出了答案。
“但是,氮化矽的加工難度是鈮酸鋰的十倍。它太硬了,而且應力巨大。一沉積厚了,晶圓就會翹曲、碎裂。”
“目前,隻有美國的Ligentec公司掌握了厚膜氮化矽的量產工藝。”
“而他們,在瑞士。”
林遠心中一動。
瑞士?
那不正是趙孟頫倒台前,燕清池藏身的地方嗎?
那不正是“新燕氏”在那邊還有殘留資產的地方嗎?
“聯絡燕清池。”林遠下令。
“問問他,他在瑞士的那幫老朋友裡,有沒有能搞定Ligentec的人。”
瑞士,洛桑。
燕清池接到了林遠的電話。
他現在雖然是新燕氏的聯席董事長,但實際上處於半隱退狀態,在瑞士負責一些海外資產的清算。
“Ligentec?”燕清池苦笑,“林老弟,你真是會給我出難題。”
“這家公司雖然是初創,但背景很深。它的核心技術源自洛桑聯邦理工學院(EPFL)。而且,美國CIA旗下的風投基金In-Q-Tel,剛剛在一週前,完成了對它的戰略投資。”
“也就是說,它現在是半個美國軍工企業。”
“想買技術?不可能。想挖人?CIA盯著呢。”
路,又堵死了。
林遠坐在江州的辦公室裡,看著窗外的夜色。
沒有高Q值的微環,就產生不了壓縮光。
沒有壓縮光,就解決不了量子噪聲。
解決不了噪聲,光子晶片就是廢品。
這是一條邏輯鎖鏈,鎖死了他的未來。
“一定有辦法。”林遠喃喃自語。
他拿出了那份從CERN帶回來的資料。
目光落在了卡洛·魯比亞教授的一句備註上:
“如果無法製造完美的微環,那就利用孤子效應。”
“孤子?”
林遠猛地坐直了身體。
他在大學物理課上學過。孤子是一種特殊的波,它在傳輸過程中,能夠保持形狀不變。因為它利用了材料的非線性,來抵消色散。
“如果……”
“我們不需要完美的微環。”
“我們利用克爾效應,在普通的微環裡,產生克爾光頻梳。”
“這種光頻梳,本身就是一種極其穩定的量子態。它不需要超高的Q值,隻需要超高的光功率密度。”
“我們需要更強的鐳射器。不是普通的半導體鐳射器,而是鎖模鐳射器。”
林遠拿起了電話,撥通了汪韜的號碼。
“汪總,大江的無人機上,是不是用過一種微型鐳射雷達?”
“是。”
“那種鐳射器的功率密度是多少?”
“很高。那是為了測距用的脈衝鐳射。”
“能不能把它做進晶片裡?”
“你是想……”
“我要在晶片上,製造微型太陽!”
“用極高的能量密度,暴力壓製量子噪聲!”
這是一個瘋狂的想法。
在微米尺度的晶片上,整合高功率鐳射器,熱量怎麼散?波導會不會燒毀?
但這似乎是唯一的路。
“給我一週。”汪韜的聲音裡透著興奮,“我把大江的光機團隊拉過來。我們試試把鐳射雷達的泵浦源,縮小100倍,塞進那個該死的微環裡!”
一週後。
PFL實驗室。
第一塊整合了片上鎖模鐳射器的測試晶片,被送上了探針台。
電源接通。
鐳射器啟動。
螢幕上,那團原本雜亂無章的量子噪聲波形,突然像被一隻無形的大手按住了一樣。
波形變得平滑、銳利。
訊雜比:提升了15dB
計算精度:從FP16提升到了FP32。
“成了!”李振聲教授激動得手舞足蹈,“這是克爾孤子!我們用非線性光學,馴服了量子漲落!”
林遠看著螢幕。
他知道,他賭贏了。
他沒有去死磕那些無法製造的完美工藝,而是用能量換取了秩序。
這很中國。
大力出奇蹟。
但是,就在他們歡呼的時候。
監測儀上,一個不起眼的引數,正在悄悄攀升。
“晶片核心溫度:85度……95度……105度……”
高功率鐳射帶來了巨大的熱量。
雖然有雙相流體迴路散熱,但熱量的積聚速度,依然超過了散熱速度。
“警報!熱失控風險!”
“必須降溫!否則波導會熔化!”
“不能降功率!降了孤子就消失了!”
這是一個新的死結。
要精度,就要高功率。
要高功率,就會燒晶片。
林遠盯著那個紅色的溫度數字。
他需要一種比流體迴路更強、更暴力、更極致的散熱手段。
他的目光,投向了那個一直被他視為備胎的技術
金剛石。
“聯絡海歸博士黃河。”林遠下令。
“聽說他在河南的人造鑽石廠,搞出了一種金剛石散熱膜?我要把這塊晶片,鑲在鑽石上。”
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