怎樣讓智能設(shè)備更“智慧”？

本文編譯自electronicdesign直接來源：TechSugar

科技行業(yè)正在經(jīng)歷巨大的變革和轉(zhuǎn)型，以滿足人工智能（AI）的發(fā)展需求。盡管人工智能并非新技術(shù)，但不可否認的是，由于生成式人工智能和面向消費者的應(yīng)用（如聊天機器人）的出現(xiàn)，它在過去12個月里已經(jīng)家喻戶曉。

就像任何一項發(fā)布“殺手級應(yīng)用”以吸引消費者關(guān)注的技術(shù)一樣，如果想要理解這些技術(shù)的潛在的價值以及相應(yīng)的技術(shù)需求和要求，就必須避免陷入炒作陷阱。與許多技術(shù)一樣，人工智能技術(shù)的發(fā)展也將受到不同“瓶頸”的限制，具體取決于其成熟度。換句話說，目前的人工智能挑戰(zhàn)可能與未來的不同。

本文將重點關(guān)注人工智能與先進材料（如復(fù)合半導(dǎo)體）之間的聯(lián)系。

到目前為止，人工智能在很大程度上依賴于對遺留技術(shù)的擴展或漸進式改進。一個典型的例子是：2023年人工智能的加速發(fā)展在很大程度上是由社交媒體等渠道收集的大量數(shù)據(jù)的匯集、機器學(xué)習(xí)的發(fā)展以及邊緣計算等硬件支持者的出現(xiàn)所推動的。隨著人工智能的發(fā)展，簡單的擴展或漸進式改進將無法滿足市場需求，因此需要“新”的技術(shù)。未來人工智能發(fā)展的一個關(guān)鍵趨勢將是變革我們的“智能”設(shè)備，使它們變得更“智慧”。這可以通過一個例子來解釋。在目前的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）世界中，通過我們的手機控制家居和車輛已經(jīng)成為常態(tài)。例如，我們可以在離家數(shù)英里外的辦公室使用手機調(diào)高家里的恒溫器或關(guān)閉臥室燈。這樣的技術(shù)可被稱為“智能”。我們的設(shè)備讓遠程執(zhí)行簡單、常規(guī)的操作變得更加方便。下一步將是使這一場景變得“智慧”。例如，智能家居可能會在我下班回家的路上檢測到我在接近我的住所，并確定我所希望的恒溫器設(shè)置從而進行調(diào)整。當(dāng)我到家時，智能家居可能還會確認的確是我本人而非我的伴侶，因為我們有不同的溫度偏好。在這個場景中，是我的智能家居做出決定，而不僅僅是執(zhí)行我的指令，因此，“智能”設(shè)備與人工智能相結(jié)合，創(chuàng)造了“動態(tài)人工智能”。在未來，人們將會有一個永不滿足的需求，那就是讓一切變得“智慧”。

人工智能孕育的智能世界智能世界中的人工智能不僅需要算力，還需要其他技術(shù)的支持。這些技術(shù)大多依賴于新材料，特別是復(fù)合半導(dǎo)體。智能世界中的人工智能有五個關(guān)鍵過程：

• 檢測：人工智能必須基于某些事物進行操作。到目前為止，它主要基于社交媒體等收集的大量數(shù)據(jù)進行操作。然而，在未來，我們需要處理更多樣化的數(shù)據(jù)類型。與任何數(shù)據(jù)驅(qū)動技術(shù)一樣，輸出的質(zhì)量取決于輸入。因此，為了充分發(fā)揮人工智能在無人駕駛汽車和智能醫(yī)療等領(lǐng)域的潛力，需要更準確地輸入數(shù)據(jù)。這些輸入數(shù)據(jù)大多將通過某種機器驅(qū)動的傳感技術(shù)生成。例如，無人駕駛汽車中的人工智能將需要車輛以超高分辨率對其環(huán)境進行光學(xué)成像。
• 計算數(shù)據(jù)傳輸：一旦檢測到某些信息，這些信息必須被傳輸?shù)接嬎阍O(shè)備。這種傳輸需要快速、低延遲且極高可靠性（“零”錯誤率）地傳送大量數(shù)據(jù)。
• 數(shù)據(jù)處理/計算：迄今為止，這一直是人工智能的焦點，人工智能算法也正在迅速發(fā)展。計算硬件的不斷進步以及諸如大量廉價內(nèi)存等的出現(xiàn)，使得計算能力能夠應(yīng)對第一波人工智能帶來的挑戰(zhàn)。然而，挑戰(zhàn)只會越來越嚴峻。這正是量子計算等技術(shù)在人工智能發(fā)展至更大規(guī)模時發(fā)揮作用的地方。
• 輸出數(shù)據(jù)傳輸：這是第二點的反向過程，同樣需要遵循嚴格的標準。
• 輸出：在幾乎所有情況下，人工智能都需要輸出某些內(nèi)容。在許多情況下，這需要將信息顯示出來。通常，這些會顯示在小尺寸的輸出設(shè)備上，或者在某種沉浸式環(huán)境（如AR/VR）中。這些顯示器的質(zhì)量對于整個系統(tǒng)的有效性至關(guān)重要。

如上所述，當(dāng)前一代的人工智能主要集中于第三點上，并且隨著以下討論的關(guān)鍵進展，這種情況可能會繼續(xù)。然而，人工智能的力量將遇到與計算能力無關(guān)的其他障礙。讓我們更深入地探討其他四個領(lǐng)域（實際上是三個，因為有兩個數(shù)據(jù)傳輸過程）。

AI智能世界流程之一：檢測為了實現(xiàn)智能世界，先進的傳感技術(shù)必不可少。在這個世界中，3D面部識別等技術(shù)將成為基本要求。這種成像技術(shù)將擴展至更遠的距離（例如，汽車中的LiDAR）。本質(zhì)上，檢測將超越“可見”范圍，從而在醫(yī)療護理領(lǐng)域帶來令人興奮的進步，特別是在早期檢測方面將實現(xiàn)階躍式改進——例如，我們的設(shè)備將連續(xù)（無創(chuàng)地）監(jiān)測我們的血液并了解生物指標。上述的檢測形式有一個共同點。它們需要特定波長的光與環(huán)境相互作用，并提供作為人工智能輸入的輸出信號。這些光電傳感器依賴于復(fù)合半導(dǎo)體。復(fù)合半導(dǎo)體經(jīng)過多年的發(fā)展，從最開始的電信數(shù)據(jù)收發(fā)器，到最終支持3D傳感等的先進設(shè)備的發(fā)展，如垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）。

用于傳感的復(fù)合半導(dǎo)體的發(fā)展非?；钴S，并將繼續(xù)專注于在寬光譜（從深紫外到長波紅外）范圍內(nèi)運行的縮放技術(shù)。該領(lǐng)域的進步將基礎(chǔ)材料開發(fā)與大量半導(dǎo)體制造技術(shù)相結(jié)合。這些材料的工程和實現(xiàn)需要在原子尺度上進行控制，這需要使用一種稱為外延的技術(shù)。

AI智能世界流程之二：數(shù)據(jù)傳輸如上所述，動態(tài)人工智能有兩個關(guān)鍵的數(shù)據(jù)傳輸步驟。我們將它們放在一起討論，因為它們的要求是相同的。具體來說，動態(tài)人工智能依賴于以低延遲和“零”錯誤率快速傳輸大量數(shù)據(jù)的能力。這再次涉及到復(fù)合半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，這些技術(shù)是快速數(shù)據(jù)通信（如上面討論的收發(fā)器）和5G無線通信等技術(shù)的基礎(chǔ)。在當(dāng)今和未來的通信基礎(chǔ)設(shè)施（如基站）中，氮化鎵（GaN）等復(fù)合半導(dǎo)體材料至關(guān)重要。在移動設(shè)備方面，基于砷化鎵（GaAs）的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBTs）是5G手機前端模塊的核心。展望未來，不難想象物聯(lián)網(wǎng)的所有智能組件都將需要像智能手機一樣工作，從我們的汽車到路燈，再到我們的冰箱，甚至是我們穿的衣服。隨著數(shù)據(jù)量的增加，對帶寬和速度的需求也將增加。這將推動技術(shù)向更高頻率發(fā)展，進入一個新的領(lǐng)域，即FR3。在這些頻率下，復(fù)合半導(dǎo)體材料提供了卓越的性能和效率，并且它們將持續(xù)發(fā)展。

與光子材料一樣，人工智能需求提出的嚴格規(guī)范需要材料工程和在原子尺度上的控制技術(shù)的支持，這還是需要外延技術(shù)。

AI智能世界流程之三：輸出

與未來人工智能相關(guān)的最常見的畫面之一是沉浸式AR/VR環(huán)境。這將需要由極小（特定尺寸）的發(fā)光二極管或microLED驅(qū)動的超高分辨率顯示屏。同樣，對于microLED而言，復(fù)合半導(dǎo)體材料是唯一的選擇，而外延技術(shù)是制造前沿材料的必要條件。

可以看出，動態(tài)人工智能世界高度依賴于復(fù)合半導(dǎo)體材料。當(dāng)前的技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了目前人工智能所需的基本功能，而下一代技術(shù)的進步將推動未來幾代人工智能的發(fā)展。

提升計算能力以匹配量子計算速度盡管動態(tài)人工智能還有其他的一些關(guān)鍵組件，但我們不能忘記這些組件的發(fā)展將與計算過程的進一步發(fā)展同時進行。如上所述，動態(tài)人工智能的處理速度和計算需求正在推動新型計算機——量子計算機的進步。盡管量子計算機仍處于起步階段，還面臨著許多挑戰(zhàn)，但它具有巨大的發(fā)展?jié)摿Γ赡苁浅浞职l(fā)揮動態(tài)人工智能世界潛力的唯一途徑。對于許多人來說，量子計算機讓人聯(lián)想到科幻小說的場景，這是有充分理由的。此外，量子計算機將需要一套全新的材料（如超導(dǎo)體、氧化物、二維材料等）。

雖然這與復(fù)合半導(dǎo)體材料不同，但該領(lǐng)域的創(chuàng)新仍然是一個材料科學(xué)/工程問題。預(yù)計外延等技術(shù)實現(xiàn)的精細控制將推動量子計算機發(fā)展至滿足動態(tài)人工智能需求的成熟階段。

使用復(fù)合半導(dǎo)體處理功耗問題到目前為止，我們忽略了一個眾所周知的問題。隨著動態(tài)人工智能的發(fā)展，它開始監(jiān)測我們的整個世界，傳輸大量數(shù)據(jù)，并進行計算處理信息，通常還伴需要高分辨率的輸出顯示，而系統(tǒng)中所有組件的能耗都將增加。因此，我們遇到了一個有些諷刺的障礙。為了創(chuàng)造一個由動態(tài)人工智能驅(qū)動的世界，我們卻在加劇全球的環(huán)境危機。然而，還是有希望的。除了卓越的光學(xué)和電學(xué)特性外，復(fù)合半導(dǎo)體還具有另一個關(guān)鍵屬性，可以說是它們最重要的特性，那就是極高的效率。一個來自照明行業(yè)的現(xiàn)實例子生動地說明了這一點。大多數(shù)人都熟悉LED燈泡/燈具，它們已經(jīng)在很大程度上取代了燈絲燈泡。LED燈泡就是用復(fù)合半導(dǎo)體氮化鎵（GaN）制成的。將LED燈泡與燈絲燈泡進行比較，LED燈泡在產(chǎn)生相同光輸出的情況下，僅消耗約10%的電能。這種顯著差異歸功于氮化鎵將輸入電能轉(zhuǎn)化為輸出光能的效率。同樣的情況也發(fā)生在基于氮化鎵的高效電源（用于移動設(shè)備）上。輸入的能量中有更少的部分會以熱能的形式被浪費掉，從而構(gòu)建了一個更加高效的系統(tǒng)。

隨著人工智能的發(fā)展，氮化鎵將在電源組件中占據(jù)重要地位，以避免能耗隨著動態(tài)人工智能的進步而增加。

構(gòu)建未來的動態(tài)人工智能世界人工智能的近期發(fā)展已經(jīng)引起了全世界的關(guān)注，而它仍處于起步階段，許多令人興奮的發(fā)展即將來臨。AI將引領(lǐng)我們從“智能”世界邁向“智慧”世界。隨著這一轉(zhuǎn)變，除了AI計算（當(dāng)前的重點）之外的其他能力也將變得日益重要。

這一向智慧世界的邁進意味著，以復(fù)合半導(dǎo)體和新型材料外延技術(shù)為支撐的半導(dǎo)體材料將脫穎而出，成為未來動態(tài)人工智能世界的關(guān)鍵推動者。