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研究背景
光子计算作为一种潜在的新型计算方式引起了人们的关注。光子计算利用光子（光的量子）来进行信息处理，具有潜在的高速度和能效优势。然而，目前的光子计算技术，特别是光学神经网络（ONNs），受到规模和计算能力的限制，难以支持复杂的AGI任务。针对这一挑战，清华大学戴琼海院士，方璐团队在“Science”期刊上发表了题为“Large-scale photonic chiplet Taichi empowers 160-TOPS/W artificial general intelligence”的论文。他们提出了一种分布式衍射-干涉混合光子计算架构，旨在将光学神经网络的规模提高到百万级神经元。通过结合衍射和干涉效应，他们设计了大规模光子芯片Taichi，实现了具有数百万个神经元的片上光学神经网络。这项研究的突破性成果为实现更高效、更强大的通用人工智能提供了新的可能性，为光子学在人工智能领域的应用开辟了新的道路。
图文解读
图1展示了Taichi的结构和工作原理。Taichi采用了分布式计算架构，将计算资源分配到多个独立的集群中，并将这些集群分别用于子任务，最终将这些子任务合成为复杂的高级任务。该芯片采用可重构的衍射-干涉混合光子芯片作为基础构建模块，支持包括1000类别分类和内容生成在内的各种高级机器智能任务。图1B展示了Taichi芯片的设计，其中包括用于大规模输入和输出数据的双重衍射单元，以及用于可重构特征嵌入和硬件复用的可调制干涉仪（MZI）阵列。这些组件构成了Taichi的基本片上执行单元（TEUs），充分利用了光学衍射和干涉的强大变形性。 图1. Taichi：具有分布式计算架构的大规模光子芯片，用于百万神经元片上网络模型。图2展示了Taichi在多样化内容生成方面的应用。通过TEU集群构建了音乐生成网络，使用马尔可夫链蒙特卡洛方法（MCMC）优化了生成的音乐样式，最终实现了具有巴赫风格的合成四声部赋格。此外，Taichi还支持2D输入和2D输出信号的内容生成。利用不同艺术家和风格的图像进行训练，Taichi生成了保留了对象形状并添加艺术纹理的图像。 综上所述，Taichi作为一种大规模光子芯片，具有分布式计算架构和强大的内容生成能力。它为光子计算在通用人工智能和内容生成领域的应用开辟了新的可能性，为实现高效、可持续的计算提供了新的方向。
总结展望
论文探索了光子计算在通用人工智能（AGI）和内容生成方面的潜力。他们设计了一种大规模光子芯片Taichi，采用了分布式计算架构和高熵设计，成功地实现了复杂任务的高效处理和多样化内容的生成。这一研究表明，光子计算具有巨大的潜力，可以为通用人工智能的发展提供新的解决方案，同时为内容生成等领域的创新提供了新的机遇。 鉴于超高功率密度多层陶瓷电容器（MLCCs）中实现高能量密度和高效率的结合一直是一个挑战，清华大学林元华教授等人在“Science”期刊上发表了题为“Ultrahigh energy storage in high-entropy ceramic capacitors with polymorphic relaxor phase”的论文。本研究中，研究人员关注了高熵设计和多晶型弛豫相对于提高MLCC性能的潜力。通过降低畴切换障碍、增强击穿强度和减小磁滞损耗，他们提出了一种基于钛酸钡的高熵设计，并引入了多晶型弛豫相。通过这一策略，他们成功实现了每立方厘米20.8焦耳的高能量密度和97.5%的超高效率。通过高熵设计和多晶型弛豫相的引入，他们有效地克服了传统材料的局限性，为超高功率密度电容器的实际应用提供了新的可能性。
图文解读
在图3中，作者提出了在钛酸钡（BaTiO3）基多层陶瓷电容器MLCCs中实现这种PRP结构的方法。作者通过巧妙地引入不同的局部对称性（即极性Tet和极性Rho），预期能够产生更小的滞后损耗。此外，作者在PRP结构的基础上进行了高熵设计，这有助于大大增强击穿强度，因为高熵引起的大量晶格畸变和较小的晶粒尺寸导致了增强的输运阻碍。因此，这种将PRP和高熵设计相结合的协同策略有望实现高Ue和超高η。 图3:多态弛豫相 (PRP) 超高储能的高熵设计策略示意图。为了验证这种策略在能量存储应用中的可行性，作者进一步制备了基于最佳组成的MLCCs，并使用了胶带铸造工艺。MLCCs具有六层介质，每层厚度约为7 μm。MLCCs的质量对烧结温度敏感，优化温度为1085°C。作者实现了连续电极层的致密介质层，并且电极-介质界面清晰，没有明显的扩散元素。这些高质量MLCC器件的击穿强度可以达到约1094 kV cm−1。此外，在MLCCs中获得了极窄的P-E环路，随着电场的增加，Pm逐渐增加到49.2 μC cm−2，而Pr甚至在击穿场下仍保持在0.6 μC cm−2以下。这些改进使得MLCCs的Ue值达到20.8 J cm−3，η达到97.5%，UF达到832，明显优于现有的MLCCs。 考虑到MLCCs的实际应用，作者进行了加速充放电循环的可靠性测试，MLCCs在500和700 kV cm−1的场下可以持续超过107个周期，Ue和η变化仅小于2%。作者将这种高循环可靠性归因于通过消除宏观领域壁并提高MLCCs中纳米领域的高动态性来抑制领域壁钉扎。此外，作者测量了在-55°至100°C范围内的电性能的热稳定性，MLCCs在500和700 kV cm−1的电场下，在整个测量温度范围内，Ue和η的降解均低于约10%。总之，MLCCs表现出优秀的循环可靠性和温度稳定性，促进了这些MLCC器件的广泛应用（见图4）。图4. 基于钛酸钡BTO多层陶瓷电容器MLCC器件的储能性能。
总结展望
论文介绍了一种具有多晶型弛豫相的钛酸钡（BaTiO3）基无铅多层陶瓷电容器（MLCC）的高熵设计。他们通过降低畴切换的障碍、增加高原子无序度、晶格畸变和晶粒细化等策略，成功地在电容器中实现了高能量密度和超高效率。这项研究启示作者，通过合理设计材料结构和组成，可以克服传统电子材料的限制，实现更高性能的电子器件，为电子设备的发展提供了新的思路。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
