高速光子计算机绕过摩尔定律

PAXEL是一种使用新颖的计算体系结构的新型光子集成电路器件，它有望实现高速，节能的计算。

日本的一组研究人员开发了一种新型处理器，称为PAXEL，该设备可以绕过摩尔定律并提高计算速度和效率。PAXEL代表光子加速器，位于数字计算机的前端，经过优化以执行特定功能，但功耗比全电子设备所需的功率低。

金属氧化物半导体场效应晶体管是大多数集成电子电路的基础，但受到摩尔定律的限制，摩尔定律说，单个电子电路上的微处理器芯片的数量每两年将翻一番。但是，基于微处理器芯片的尺寸与电子的量子力学性质相关的方式，对此有一个固有的限制。

通过使用并行处理（其中多个处理器执行同时计算），可以部分克服摩尔定律问题。但是，这种方法并不适用于所有应用程序。

日本的研究人员已经开发出一种称为PAXEL的处理器，该设备可以绕过摩尔定律并提高计算速度和效率。在APL Photonics中，研究人员着眼于将光用于集成电路中的数据传输步骤，因为光子不受摩尔定律的约束。代替集成电路，现在许多新的发展都涉及光子集成电路。PAXEL加速器采用了这种方法，并使用了节能的纳米光子学技术。此图显示了用于数字计算，云计算与雾计算以及PAXEL设备使用的电子集成电路的发展和瓶颈。

在AIP出版的APL Photonics上的一篇论文中，研究人员研究了另一种将光用于集成电路中数据传输步骤的技术，因为光子不受摩尔定律的约束。代替集成电路，现在许多新的发展都涉及光子集成电路（PIC）。PAXEL加速器采用了这种方法，并使用了节能的纳米光子学，这是非常小的PIC。

纳米光子学（例如PAXEL中使用的那些）以光速运行，并且可以模拟方式进行计算，并将数据映射到光强度级别。然后通过改变光强度进行乘法或加法。研究人员考虑了各种用途的不同PAXEL体系结构，包括人工神经网络，储层计算，通道逻辑，决策和压缩传感。

PAXEL的一个特别有趣的应用是在所谓的雾计算中。这就像云计算一样，但是在发生原始事件的“地面”附近使用计算资源（服务器）。连接到平板电脑或其他手持设备的紧凑型PAXEL可以检测信号，并通过5G无线链路将信息传输到附近的雾计算资源以进行数据分析。

预计该新技术将在广泛领域中应用，包括医学和兽医即时检验，诊断，药物和食品检验以及生物防御。随着越来越多的家用和商用设备通过网络连接，将需要更好的计算能力，包括具有更高能效的数据传输。诸如PAXEL之类的进步有望帮助满足这些需求。

参考：“光子学在数据处理领域的新前沿：“光子加速器”，作者：北山研一，三谷雅也，成濑诚，井上浩二，川上聪和内田淳，2019年9月24日，APLPhotonics。DOI：
10.1063/1.5108912