瑞士,日内瓦梅汉。
这里是欧洲核子研究中心的总部。地表之下100米,长达27公里的大型强子对撞机正在进行着人类最前沿的物理实验。
林远和李振声教授,在一间全屏蔽的会议室里,见到了发来警告邮件的科学家卡洛·鲁比亚。他是cERN计算部门的负责人,也是一位诺贝尔物理学奖得主。
“林先生,李教授。”鲁比亚没有寒暄,直接打开了全息投影。
屏幕上,是一团乱麻般的波形图。
“这是我们用你们提供的启明-I光子芯片原型,运行Lhc粒子轨迹重建算法时的实时数据。”
“在低负载下,一切正常。计算速度是英伟达GpU的100倍,功耗只有1\/10。”
“但是,”鲁比亚指着波形的尾端,那里出现了剧烈的抖动,“当我们将并发计算量提升到1000万次\/秒时,灾难发生了。”
“计算结果开始发散。”
“1+1不再等于2。它可能等于2.001,也可能等于1.999。而且,随着级联计算的层数增加,这个误差被指数级放大。”
“在第50层神经网络计算后,输出的结果,已经变成了毫无意义的随机数。”
“为什么?”林远问。
“因为量子噪声。”
鲁比亚在白板上写下了一个公式:
Δx?Δp≥?\/2Δx?Δp≥?\/2
海森堡测不准原理。
“在光子计算中,我们用光的振幅和相位来携带信息。但是,光子具有量子特性。你不能同时精确地知道它的振幅和相位。”
“这就是散粒噪声。”
“对于传统的数字芯片,这点噪声不算什么,因为有阈值门控。但在你们的模拟计算架构里,噪声就是信号,信号就是噪声。”
“林先生,”鲁比亚看着林远,眼神悲悯,“你们试图用模拟信号去做高精度的AI训练,这在物理学上是走不通的。”
“这就是我说的量子炸弹。”
“当算力密度达到一定阈值,量子涨落会摧毁所有的逻辑。”
江州江南之芯集团,pFL实验室。
气氛比在瑞士时更加压抑。
cERN的警告被证实了。
汪韬带着团队,在刚刚下线的启明-II光子芯片上,跑了一遍盘古大模型的推理任务。
结果是毁灭性的。
“精度丢失。”汪韬看着屏幕上的乱码,脸色铁青。
“在半精度浮点数模式下,误差率达到了5%。这对于大模型来说,意味着模型会精神分裂,输出全是幻觉。”
“我们试图用软件算法Ecc纠错码来修正。”王海冰补充道,“但是,模拟计算的错误是随机的,不仅有量子噪声,还有热噪声、激光器线宽漂移、波导刻蚀粗糙度……”
“为了纠正这些错误,我们消耗了50%的算力去跑纠错算法。”
“结果是光子芯片的速度优势,被纠错算法吃光了。”
这是一个死循环。
光子快,是因为它不做逻辑判断,直接物理流过。
一旦为了精度加上逻辑判断,它就变慢了。
如果不能解决精度问题,光子芯片只能做做简单的图像处理,永远无法承载工业大脑这种需要高可靠性的任务。
“必须在物理层面解决。”李振声教授看着显微镜下的芯片,“软件救不了硬件。”
“怎么解决?”林远问,“把温度降到绝对零度?消除热噪声?”
“不可能。商业芯片必须在室温下运行。”
“提高激光功率?提高信噪比?”
“也不行。铌酸锂晶体有光折变效应。功率太高,晶体折射率会变,光路就歪了。”
路,似乎堵死了。
物理学像一堵叹息之墙,挡在所有人面前。
就在团队一筹莫展时,一个意想不到的人出现了。
鲍里斯。
那个随同天然气贸易协议一起来到中国的,俄罗斯数学研究所的首席密码学家。一个头发蓬乱、永远拿着伏特加酒壶的数学疯子。
他推开了实验室的门,看着愁眉苦脸的众人,打了个酒嗝。
“你们在对抗海森堡?”
鲍里斯指着白板上的测不准原理公式,笑了。
“愚蠢。”
“你们为什么要想办法消除噪声?”
“为什么不挤压它?”
“挤压?”李振声愣了一下。
鲍里斯走到白板前,画了一个圆代表真空涨落的噪声圆。
“这是正常的量子噪声。在相位和振幅上是均匀分布的。”
然后,他用力把那个圆压扁,变成了一个椭圆。
“如果我们在一个方向上把噪声压扁,那么根据测不准原理,另一个方向上的噪声就会变大。”
“但是!”鲍里斯的眼中闪过一丝精光,“如果我们的信号只编码在振幅上,而不关心相位呢?”
“我们就可以获得超越标准量子极限的信噪比!”
“这就是压缩光技术。”
李振声猛地站了起来。
“压缩态!LIGo引力波探测器用来探测引力波的技术!”
“对!”鲍里斯点头,“如果能把这种技术集成到芯片上,噪声就能降低10倍!”
“精度问题,迎刃而解!”
理论通了。
但是,工程呢?
要产生压缩光,需要极其强烈的非线性光学效应。
通常,这需要桌子那么大的光学平台,和功率极高的激光器。
要把这套东西,塞进指甲盖大小的芯片里?
“我们需要一个微环谐振器。”李振声在纸上画了一个微小的圆环。
“光在圆环里循环跑几百万圈,能量密度叠加,才能激发出非线性效应,产生压缩光。”
“这就要求,这个圆环的品质因子,必须达到1000万以上!”
“1000万的q值……”王海冰倒吸一口凉气。
这意味着什么?
意味着圆环的侧壁粗糙度,不能超过1纳米。
意味着圆环的波导损耗,必须低于0.01 db\/m。
这比之前做的LNoI晶圆,难度又要高出一个数量级!
“我们的光刻机做不到。”王海冰绝望地说,“就算是ASmL的dUV加上计算光刻,边缘粗糙度也只能控制在2纳米左右。达不到1纳米。”
“只要有一点点粗糙,光在跑几百万圈的过程中,就会散射光,q值就会掉下来。”
“加工不出来,理论就是废纸。”
林远看着那个圆环。
“既然刻不出来……”
“那我们就修出来。”
“修?”
“对。”林远目光坚定,“我们用离子束修形。”
“先用光刻机刻出一个粗糙的环。”
“然后,用高能聚焦离子束,像车床一样,在原子级别上,把侧壁磨平。”
“这……这效率太低了!”王海冰反驳,“FIb是用来做失效分析的,修一个环要几个小时。我们要量产几百万个环,修到猴年马月?”
“不用FIb。”
林远摇了摇头。
“我们用化学回流。”
他想起了之前“光刻胶填坑”的经验。
“我们在这个微环表面,生长一层特殊的非晶材料。然后加热,让它表面熔化、流平。”
“利用表面张力,把粗糙的侧壁,拉成绝对光滑的圆弧!”
“就像吹玻璃一样!”
这是一个极其大胆的工艺设想。
方案确定,立即实验。
但是,新的问题又来了。
“铌酸锂不行。”李振声看着实验数据,眉头紧锁。
“铌酸锂虽然是好的光子材料,但它不耐高温。一加热回流,晶格就坏了。”
“我们需要一种新材料。”
“一种既能耐高温回流,又具有极高非线性系数的材料。”
“氮化硅。”
李振声给出了答案。
“但是,氮化硅的加工难度是铌酸锂的十倍。它太硬了,而且应力巨大。一沉积厚了,晶圆就会翘曲、碎裂。”
“目前,只有美国的Ligentec公司掌握了厚膜氮化硅的量产工艺。”
“而他们,在瑞士。”
林远心中一动。
瑞士?
那不正是赵孟頫倒台前,燕清池藏身的地方吗?
那不正是“新燕氏”在那边还有残留资产的地方吗?
“联系燕清池。”林远下令。
“问问他,他在瑞士的那帮老朋友里,有没有能搞定Ligentec的人。”
瑞士,洛桑。
燕清池接到了林远的电话。
他现在虽然是新燕氏的联席董事长,但实际上处于半隐退状态,在瑞士负责一些海外资产的清算。
“Ligentec?”燕清池苦笑,“林老弟,你真是会给我出难题。”
“这家公司虽然是初创,但背景很深。它的核心技术源自洛桑联邦理工学院(EpFL)。而且,美国cIA旗下的风投基金In-q-tel,刚刚在一周前,完成了对它的战略投资。”
“也就是说,它现在是半个美国军工企业。”
“想买技术?不可能。想挖人?cIA盯着呢。”
路,又堵死了。
林远坐在江州的办公室里,看着窗外的夜色。
没有高q值的微环,就产生不了压缩光。
没有压缩光,就解决不了量子噪声。
解决不了噪声,光子芯片就是废品。
这是一条逻辑锁链,锁死了他的未来。
“一定有办法。”林远喃喃自语。
他拿出了那份从cERN带回来的资料。
目光落在了卡洛·鲁比亚教授的一句备注上:
“如果无法制造完美的微环,那就利用孤子效应。”
“孤子?”
林远猛地坐直了身体。
他在大学物理课上学过。孤子是一种特殊的波,它在传输过程中,能够保持形状不变。因为它利用了材料的非线性,来抵消色散。
“如果……”
“我们不需要完美的微环。”
“我们利用克尔效应,在普通的微环里,产生克尔光频梳。”
“这种光频梳,本身就是一种极其稳定的量子态。它不需要超高的q值,只需要超高的光功率密度。”
“我们需要更强的激光器。不是普通的半导体激光器,而是锁模激光器。”
林远拿起了电话,拨通了汪韬的号码。
“汪总,大江的无人机上,是不是用过一种微型激光雷达?”
“是。”
“那种激光器的功率密度是多少?”
“很高。那是为了测距用的脉冲激光。”
“能不能把它做进芯片里?”
“你是想……”
“我要在芯片上,制造微型太阳!”
“用极高的能量密度,暴力压制量子噪声!”
这是一个疯狂的想法。
在微米尺度的芯片上,集成高功率激光器,热量怎么散?波导会不会烧毁?
但这似乎是唯一的路。
“给我一周。”汪韬的声音里透着兴奋,“我把大江的光机团队拉过来。我们试试把激光雷达的泵浦源,缩小100倍,塞进那个该死的微环里!”
一周后。
pFL实验室。
第一块集成了片上锁模激光器的测试芯片,被送上了探针台。
电源接通。
激光器启动。
屏幕上,那团原本杂乱无章的量子噪声波形,突然像被一只无形的大手按住了一样。
波形变得平滑、锐利。
信噪比:提升了15db
计算精度:从Fp16提升到了Fp32。
“成了!”李振声教授激动得手舞足蹈,“这是克尔孤子!我们用非线性光学,驯服了量子涨落!”
林远看着屏幕。
他知道,他赌赢了。
他没有去死磕那些无法制造的完美工艺,而是用能量换取了秩序。
这很中国。
大力出奇迹。
但是,就在他们欢呼的时候。
监测仪上,一个不起眼的参数,正在悄悄攀升。
“芯片核心温度:85度……95度……105度……”
高功率激光带来了巨大的热量。
虽然有双相流体回路散热,但热量的积聚速度,依然超过了散热速度。
“警报!热失控风险!”
“必须降温!否则波导会熔化!”
“不能降功率!降了孤子就消失了!”
这是一个新的死结。
要精度,就要高功率。
要高功率,就会烧芯片。
林远盯着那个红色的温度数字。
他需要一种比流体回路更强、更暴力、更极致的散热手段。
他的目光,投向了那个一直被他视为备胎的技术
金刚石。
“联系海归博士黄河。”林远下令。
“听说他在河南的人造钻石厂,搞出了一种金刚石散热膜?我要把这块芯片,镶在钻石上。”