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自各家芯片廠商開始將芯片微縮制程作為發(fā)展重點開始，業(yè)內(nèi)關(guān)于“摩爾定律是否就快走到盡頭”的討論就未停止過。
中國工程院院士許居衍曾就下一波芯片技術(shù)前瞻主題，針對CMOS和新器件、馮·諾伊曼架構(gòu)和新興架構(gòu)列舉了四類技術(shù)方向：
一類是硅CMOS 技術(shù)與馮·諾依曼結(jié)合的“硅·馮”范式；
一類是能進入跟CMOS雷同的二值開關(guān)，新器件與馮·諾伊曼架構(gòu)的結(jié)合的“類硅”模式；
另外一類是仍利用現(xiàn)有硅CMOS器件技術(shù)，但不通過馮·諾依曼架構(gòu)而是通過神經(jīng)突觸傳遞，存算一體的“類腦”模式；
最后一類是以新興架構(gòu)和新器件來做的“新興”范式.
光，可以被視為最后一類新興范式中的一種，曾在與電子芯片競爭中落后。而如今卻有了新的突破，有潛力成為后摩爾時代另辟蹊徑、實力強勁的一員。
本月，光子計算芯片公司曦智科技發(fā)布了其最新的高性能光子處理器，在單個光子中集成超過10000個光子器件，運行1GHz系統(tǒng)時鐘，運行特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度可達目前高端GPU的數(shù)百倍，就充分驗證了光子芯片的優(yōu)越性。
在通用計算賽道上落敗的光子計算
既然光子計算賦予芯片的性能提升要遠遠大于電子芯片，那么自墨子時期就已經(jīng)被人類發(fā)現(xiàn)的光，為何沒能在芯片領(lǐng)域跑贏電子呢？
曦智科技創(chuàng)始人兼CEO沈亦晨
曦智科技創(chuàng)始人兼CEO沈亦晨告訴雷峰網(wǎng)，實際上在半導(dǎo)體剛剛起步時，就有光與電兩種技術(shù)范式，只是發(fā)展一段時間后，整個行業(yè)幾乎都覆蓋到基于數(shù)字電子的計算范式上。
數(shù)字電子計算范式之所以能夠取勝，原因有二。
一方面圖靈計算的興起，包括馮·諾依曼在內(nèi)的數(shù)字芯片架構(gòu)，可以讓數(shù)字芯片通過邏輯門實現(xiàn)幾乎所有的通用計算，且應(yīng)用廣泛 。
另一方面，上世紀80年代，基于邏輯門的光子數(shù)字計算與電子計算在通用計算賽道上競爭時，都基于晶體管做運算，但當(dāng)電晶體管隨著制程推進不斷微縮，越做越小時，光晶體管的尺寸一致未能打破波長限制，無法比100nm更小，自此落敗電子芯片。
但近些年，情況發(fā)生了轉(zhuǎn)變，尤其電子芯片發(fā)展至今，在算力、數(shù)據(jù)傳輸和存儲方面都遇到瓶頸，繼續(xù)在電子計算技術(shù)范式上尋求突破口步履維艱 。
算力瓶頸是第三次人工智能浪潮下最常談的問題，晶體管微縮帶來的電子隧穿現(xiàn)象，導(dǎo)致先進制程下的晶體管功耗無法進一步降低，因此一些公司寄希望于通過擴大芯片面積的方式來提升算力，不過最后卻發(fā)現(xiàn)，更大的面積需要更長的銅導(dǎo)線，更長的銅導(dǎo)線產(chǎn)生更多的熱量，因此芯片能效比并沒有隨著面積擴大而得到太大提升。
英偉達通過電互連芯片的方式提升算力，但受限于互連帶寬，互連100顆芯片或板卡，只能達到單塊板塊的10倍算力，互連效率并不高。
而現(xiàn)在，光計算的架構(gòu)在改變。AI計算的普及也為光計算帶來了更廣闊的前景。“我們認為，光是最適合解決這些困境的底層技術(shù)方式。”沈亦晨給出了自己的答案。
光學(xué)計算完全不同于電子計算，它以光子的信息處理為載體，依賴光硬件而非電子硬件，用光運算代替電運算，擅長快速并行處理高度復(fù)雜的計算任務(wù)。
他認為，一方面，光在通信領(lǐng)域已經(jīng)充分證明了自己優(yōu)越性，目前所有遠距離的通信，包括數(shù)據(jù)中心中服務(wù)器之間的通信，都是基于光纖傳輸，另一方面，越來越多的人工智能做線性運算，而光的干涉本身就是線性工程，與電相比有天然優(yōu)勢。
這一答案有著強有力的論證，2016年，MIT博士沈亦晨所在的研究團隊打造出了首個光學(xué)系統(tǒng)，并在2017將這一成果發(fā)表在頂級期刊Nature Photonics雜志封面上。
其創(chuàng)新有二，硬件上用光干涉儀作為基本的矩陣運算單元有效取代傳統(tǒng)電子晶體管，算法上開發(fā)了一系列在不犧牲性能條件下有效降低深度學(xué)習(xí)計算量并適應(yīng)于光子芯片的算法。
光子計算成果初現(xiàn)
這一實驗成果的發(fā)布，啟發(fā)了全球范圍內(nèi)一大批人開始關(guān)注光子AI芯片，沈亦晨本人也從MIT團隊走向業(yè)界，創(chuàng)辦了專注研發(fā)光子芯片相關(guān)技術(shù)的公司曦智科技（Lightelligence）。
公司成立一年半之時，曦智科技成功開發(fā)出世界第一款光子芯片原型板卡，成功演示了用光子芯片運行Google Tensorflow自帶的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來處理MNIST數(shù)據(jù)集，即使用計算機識別手寫數(shù)字的基準機器學(xué)習(xí)模型處理數(shù)據(jù)集。整個模型超過95%的運算都有在光子芯片處理完成，此原型板卡的問世向全世界證明了用光子代替電子進行AI計算的可行性。
測試結(jié)果顯示，光子芯片處理的準確率已經(jīng)接近電子芯片（97%以上）。
距離這塊原型板卡發(fā)布不到兩年，2021年12月，曦智科技又取得新進展，發(fā)布了高性能光子計算處理——PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計算引擎）——單個光子芯片中集成超過10,000個光子器件，運行1GHz系統(tǒng)時鐘，運行特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度可達目前高端GPU的數(shù)百倍。
“相比于2019年推出的那款原型板卡，我們的PACE在光子器件的集成度上大約提高了兩個數(shù)量級，從100個光子器件到10000個光子器件；運行系統(tǒng)時鐘提高四個數(shù)量級，基本達到目前電子芯片的時鐘。”沈亦晨說道。
值得注意的是，PACE并不是純粹的光子芯片，PACE包含64x64 的光學(xué)矩陣，核心部分由一款集成硅光芯片和一塊CMOS微電子芯片以3D封裝形式倒裝堆疊而成。其中，電芯片主要用作數(shù)據(jù)存儲和數(shù)模混合調(diào)度，光芯片主要用作數(shù)據(jù)計算。
“我們認為，電存儲技術(shù)，尤其在高速存儲讀取方面，會在很長一段時間之內(nèi)領(lǐng)先于光。這也是我們采用光電協(xié)同的原因。”沈亦晨解釋道。
PACE運行時，每個輸入向量值首先從片上存儲中提取，由數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為模擬值，通過電子芯片和光子芯片之間的微凸點應(yīng)用于相應(yīng)的光調(diào)制器，形成輸入光矢量。
接著，輸入光矢量通過光矩陣完成運算傳播，產(chǎn)生輸出光矢量，并達到一組光電探測器陣列，從而將光強轉(zhuǎn)換為電流信號。
最后，電信號通過微凸點返回到電子芯片，通過跨阻放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器返回數(shù)字域。
沈亦晨表示，曦智科技所使用的光調(diào)制器，是基于馬赫曾德干涉儀方案做光與光之間的干涉，并同算法協(xié)同優(yōu)化的小尺寸高速可調(diào)的光調(diào)制器。由于光在傳播時不放熱，完成矩陣運算花費時間少，延時低于電芯片，矩陣乘法并行能力更強。
PACE采用迭代法來解決全球難以高效解決的數(shù)學(xué)問題——多項式復(fù)雜程度非確定性問題，涉及生物信息中蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測，物流交通調(diào)度、材料研發(fā)等問題，商業(yè)應(yīng)用前景廣闊。
曦智科技也做出了自己產(chǎn)品規(guī)劃，計劃在自2022年開始的1到3年內(nèi)，在對算力、延時痛點強的應(yīng)用場景落地，例如金融和云服務(wù)廠商，之后加強對訓(xùn)練市場的布局，最后延伸至GPU、車載芯片等市場。
“突破”摩爾定律，徹底取代還是并行發(fā)展？
事實上， 除曦智科技外，也有不少大廠開始投入光子計算芯片的研發(fā)。據(jù)了解，華為、英特爾、英偉達目前都有入局光子計算。
光子計算賽道上的玩家越來越多，是否意味著，在未來，光子計算芯片將有能力徹底取代電子芯片，“突破“摩爾定律？
回到對摩爾定律的討論上，盡管光子計算是另一條截然不同的技術(shù)路線，但硅光芯片依然基于傳統(tǒng)的CMOS工藝，依賴現(xiàn)有的生態(tài)、固件和軟件就能滿足基本的設(shè)計需求。工藝制造方面，只需要在步驟上稍作修改，例如在光的探測器制造方面引入其他新設(shè)備。
此前基于光的晶體管體積龐大，在與電子計算的競爭中落敗，但如今光子計算改變了原先使用晶體管與電子計算競爭的路徑，利用在線性運算上的優(yōu)勢做光學(xué)器件，一個光學(xué)器件的運算性能相當(dāng)于上千個電晶體管，且65nm或45nm的CMOS工藝制程就能滿足現(xiàn)有光芯片的所有制程要求，哪怕是在未來，硅光技術(shù)迭代也不會對制程要求特別嚴苛，更多是主頻、波長方面的迭代。
這意味著，哪怕摩爾定律已經(jīng)逼近物理極限，對光子計算芯片也不會有太大影響。不過這并不意味著光子芯片能夠完全取代電子芯片。
沈亦晨表示，在可預(yù)見的未來范圍內(nèi)，都是光子與電子芯片深度結(jié)合的光電混合運算，曦智科技的光電混合芯片與客戶的交互都是通過電芯片來完成的，所有的指令編譯器和SDK都承載在電芯片上。與電芯片相比，光芯片主要承載線性計算和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)兩大部分，電芯片的好處在于與現(xiàn)有的市場環(huán)境、軟件環(huán)境互相兼容。
“光與電的關(guān)系就好比新能源汽車和燃油汽車，只是在引擎和電池方面有所改變，諸如輪胎之類的器件依然相同，將有效地與現(xiàn)有使用場景兼容。光不會完全取代電。”沈亦晨說道。
作者 | 吳優(yōu)
編輯 | 包永剛
