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研究背景
光子計算作為一種潛在的新型計算方式引起了人們的關注。光子計算利用光子（光的量子）來進行信息處理，具有潛在的高速度和能效優勢。然而，目前的光子計算技術，特別是光學神經網絡（ONNs），受到規模和計算能力的限制，難以支持復雜的AGI任務。針對這一挑戰，清華大學戴瓊海院士，方璐團隊在“Science”期刊上發表了題為“Large-scale photonic chiplet Taichi empowers 160-TOPS/W artificial general intelligence”的論文。他們提出了一種分布式衍射-干涉混合光子計算架構，旨在將光學神經網絡的規模提高到百萬級神經元。通過結合衍射和干涉效應，他們設計了大規模光子芯片Taichi，實現了具有數百萬個神經元的片上光學神經網絡。這項研究的突破性成果為實現更高效、更強大的通用人工智能提供了新的可能性，為光子學在人工智能領域的應用開辟了新的道路。
圖文解讀
圖1展示了Taichi的結構和工作原理。Taichi采用了分布式計算架構，將計算資源分配到多個獨立的集群中，并將這些集群分別用于子任務，最終將這些子任務合成為復雜的高級任務。該芯片采用可重構的衍射-干涉混合光子芯片作為基礎構建模塊，支持包括1000類別分類和內容生成在內的各種高級機器智能任務。圖1B展示了Taichi芯片的設計，其中包括用于大規模輸入和輸出數據的雙重衍射單元，以及用于可重構特征嵌入和硬件復用的可調制干涉儀（MZI）陣列。這些組件構成了Taichi的基本片上執行單元（TEUs），充分利用了光學衍射和干涉的強大變形性。 圖1. Taichi：具有分布式計算架構的大規模光子芯片，用于百萬神經元片上網絡模型。圖2展示了Taichi在多樣化內容生成方面的應用。通過TEU集群構建了音樂生成網絡，使用馬爾可夫鏈蒙特卡洛方法（MCMC）優化了生成的音樂樣式，最終實現了具有巴赫風格的合成四聲部賦格。此外，Taichi還支持2D輸入和2D輸出信號的內容生成。利用不同藝術家和風格的圖像進行訓練，Taichi生成了保留了對象形狀并添加藝術紋理的圖像。 綜上所述，Taichi作為一種大規模光子芯片，具有分布式計算架構和強大的內容生成能力。它為光子計算在通用人工智能和內容生成領域的應用開辟了新的可能性，為實現高效、可持續的計算提供了新的方向。
總結展望
論文探索了光子計算在通用人工智能（AGI）和內容生成方面的潛力。他們設計了一種大規模光子芯片Taichi，采用了分布式計算架構和高熵設計，成功地實現了復雜任務的高效處理和多樣化內容的生成。這一研究表明，光子計算具有巨大的潛力，可以為通用人工智能的發展提供新的解決方案，同時為內容生成等領域的創新提供了新的機遇。 鑒于超高功率密度多層陶瓷電容器（MLCCs）中實現高能量密度和高效率的結合一直是一個挑戰，清華大學林元華教授等人在“Science”期刊上發表了題為“Ultrahigh energy storage in high-entropy ceramic capacitors with polymorphic relaxor phase”的論文。本研究中，研究人員關注了高熵設計和多晶型弛豫相對于提高MLCC性能的潛力。通過降低疇切換障礙、增強擊穿強度和減小磁滯損耗，他們提出了一種基于鈦酸鋇的高熵設計，并引入了多晶型弛豫相。通過這一策略，他們成功實現了每立方厘米20.8焦耳的高能量密度和97.5%的超高效率。通過高熵設計和多晶型弛豫相的引入，他們有效地克服了傳統材料的局限性，為超高功率密度電容器的實際應用提供了新的可能性。
圖文解讀
在圖3中，作者提出了在鈦酸鋇（BaTiO3）基多層陶瓷電容器MLCCs中實現這種PRP結構的方法。作者通過巧妙地引入不同的局部對稱性（即極性Tet和極性Rho），預期能夠產生更小的滯后損耗。此外，作者在PRP結構的基礎上進行了高熵設計，這有助于大大增強擊穿強度，因為高熵引起的大量晶格畸變和較小的晶粒尺寸導致了增強的輸運阻礙。因此，這種將PRP和高熵設計相結合的協同策略有望實現高Ue和超高η。 圖3:多態弛豫相 (PRP) 超高儲能的高熵設計策略示意圖。為了驗證這種策略在能量存儲應用中的可行性，作者進一步制備了基于最佳組成的MLCCs，并使用了膠帶鑄造工藝。MLCCs具有六層介質，每層厚度約為7 μm。MLCCs的質量對燒結溫度敏感，優化溫度為1085°C。作者實現了連續電極層的致密介質層，并且電極-介質界面清晰，沒有明顯的擴散元素。這些高質量MLCC器件的擊穿強度可以達到約1094 kV cm?1。此外，在MLCCs中獲得了極窄的P-E環路，隨著電場的增加，Pm逐漸增加到49.2 μC cm?2，而Pr甚至在擊穿場下仍保持在0.6 μC cm?2以下。這些改進使得MLCCs的Ue值達到20.8 J cm?3，η達到97.5%，UF達到832，明顯優于現有的MLCCs。 考慮到MLCCs的實際應用，作者進行了加速充放電循環的可靠性測試，MLCCs在500和700 kV cm?1的場下可以持續超過107個周期，Ue和η變化僅小于2%。作者將這種高循環可靠性歸因于通過消除宏觀領域壁并提高MLCCs中納米領域的高動態性來抑制領域壁釘扎。此外，作者測量了在-55°至100°C范圍內的電性能的熱穩定性，MLCCs在500和700 kV cm?1的電場下，在整個測量溫度范圍內，Ue和η的降解均低于約10%。總之，MLCCs表現出優秀的循環可靠性和溫度穩定性，促進了這些MLCC器件的廣泛應用（見圖4）。圖4. 基于鈦酸鋇BTO多層陶瓷電容器MLCC器件的儲能性能。
總結展望
論文介紹了一種具有多晶型弛豫相的鈦酸鋇（BaTiO3）基無鉛多層陶瓷電容器（MLCC）的高熵設計。他們通過降低疇切換的障礙、增加高原子無序度、晶格畸變和晶粒細化等策略，成功地在電容器中實現了高能量密度和超高效率。這項研究啟示作者，通過合理設計材料結構和組成，可以克服傳統電子材料的限制，實現更高性能的電子器件，為電子設備的發展提供了新的思路。1. Zhihao Xu et al. ,Large-scale photonic chiplet Taichi empowers 160-TOPS/W artificial general intelligence.Science384,202-209(2024).DOI:10.1126/science.adl12032. Min Zhang et al. ,Ultrahigh energy storage in high-entropy ceramic capacitors with polymorphic relaxor phase.Science384,185-189(2024).DOI:10.1126/science.adl2931
