可重构光算术逻辑单元及其应用

《Nature Communications》：Reconfigurable optical arithmetic logic unit and its applications

　　

摘要

摩尔定律带来的日益严峻的限制，严重阻碍了传统电子集成电路在能效方面的进一步提升。为此，集成光子学因其出色的带宽和极低的延迟而成为一种极具前景的解决方案。基于集成光子学的光学数字计算在运算速度和能效方面相较于电子数字方案具有明显优势。然而，在光子芯片上实现多功能算术逻辑单元仍面临巨大挑战，目前的相关研究大多仅限于基本逻辑门或独立的计算模块，而非可重构计算系统。在此，我们提出了一种基于硅基微环调制器的可重构光学计算架构，该架构能够实现可重构的基本逻辑运算以及多种算术逻辑单元，包括2位加法器、减法器和数字比较器。实验结果显示，在20 Gb/s的运算速度下，该系统的计算密度可达528 Gb/s/mm²，能效为12.36 fJ/bit。此外，通过数据加密和图像处理等多种应用场景进一步证明了该设备的实际应用可行性。