論光芯片研發(fā)進(jìn)展，光芯片將實(shí)現(xiàn)算力提升、能耗降低的“使命”
近年來，由于各種因素，中國的芯片產(chǎn)業(yè)得到了迅速的發(fā)展。其中，光子芯片技術(shù)的突破，更是引起了廣泛的關(guān)注。
相較于傳統(tǒng)的電子芯片，光子芯片采用了光子學(xué)原理，將信息通過光信號的傳輸進(jìn)行處理，具有高速、低能耗等優(yōu)勢。而中國的光子芯片技術(shù)，已經(jīng)取得了世界領(lǐng)先的成果，與美國等國家相比，其速度甚至快了1000倍以上。
首先，中國的光子芯片在傳輸速率上已經(jīng)達(dá)到了T級別。在2021年9月，中國科學(xué)家在國際知名學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表論文，詳細(xì)介紹了他們設(shè)計(jì)并制造的光子芯片，該芯片可以實(shí)現(xiàn)每秒鐘26.3萬億次的操作，這已經(jīng)是目前世界上傳輸速率最快的芯片之一。與此同時(shí)，該芯片僅需10皮瓦（Pw）的功率就能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，相較于傳統(tǒng)電子芯片需要的數(shù)瓦量級的功率，具有極大的能源效益。
其次，在應(yīng)用領(lǐng)域上，中國的光子芯片也取得了重要進(jìn)展。例如，在量子計(jì)算、光通信和激光雷達(dá)等領(lǐng)域，中國的光子芯片已經(jīng)開始應(yīng)用，并取得了良好的實(shí)驗(yàn)效果。其中，量子計(jì)算是當(dāng)前人工智能、加密安全等領(lǐng)域最熱門的技術(shù)之一。而中國的光子芯片，在量子計(jì)算方面的應(yīng)用，已經(jīng)走在了世界的前列。
目前，中國已經(jīng)擁有包括華為、中興通訊和長飛光纖等在內(nèi)的多家光子芯片企業(yè)。未來，中國的光子芯片技術(shù)還將得到進(jìn)一步的提升和應(yīng)用，為信息技術(shù)的發(fā)展帶來更為廣闊的空間。
科學(xué)家研發(fā)新型光子芯片
據(jù)荷蘭特溫特大學(xué)（UT）獨(dú)立新聞媒體U Today 3月14日報(bào)道，該校非線性納米光子學(xué)小組的教授David Marpaung和他的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種高性能新型光子芯片。該芯片可以用光波和聲波的組合來處理數(shù)字信息，這種下一代芯片相較與基于電流的傳統(tǒng)芯片，體積更小、信息傳輸量更大、精度更高、能耗更少。
“基于光的芯片體積更小，可以打包和處理更多信息，同時(shí)消耗的能量比傳統(tǒng)芯片少得多，”Marpaung說，“這些優(yōu)勢對于大型數(shù)據(jù)中心尤為重要，數(shù)據(jù)傳輸?shù)南拗坪途薮蟮哪茉闯杀菊蔀槿找鎳?yán)重的問題?！?另一個(gè)優(yōu)勢是它們可以順利集成到現(xiàn)有電子設(shè)備中，因?yàn)樗鼈兊幕具\(yùn)行方式與傳統(tǒng)芯片類似。
然而，改進(jìn)當(dāng)前的光子芯片是有可能的。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聲波與光波結(jié)合時(shí)，它們的相互作用可能會(huì)促成比光子芯片更好的信息管理和傳輸。“當(dāng)你在光子芯片中引入聲波時(shí)，聲波本質(zhì)上是一種比光波傳播速度慢得多的機(jī)械波，就會(huì)出現(xiàn)一系列全新的信息管理可能性，”Marpaung說，“聲波較慢的傳播速度使得處理信息的準(zhǔn)確性和分辨率高得多。它使您可以更輕松地濾除噪音、放大信號和選擇您想要保留的信息或數(shù)據(jù)。這可能會(huì)使信號更清晰、噪音影響更小?！?/span>
在微型芯片中引入聲波本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)?？茖W(xué)家們設(shè)法通過使用兩束不同頻率的激光束來做到這一點(diǎn)。通過將激光束對準(zhǔn)光波導(dǎo)內(nèi)部，它們會(huì)相互影響，在某些點(diǎn)，激光束會(huì)相互削弱，而在其他點(diǎn)，它們會(huì)相互增強(qiáng)，這一過程稱為光的干涉。
“在激光相互增強(qiáng)的地方，它們會(huì)產(chǎn)生一種作用力，就像錘子一樣，”Marpaung解釋道，“這種力量短暫地壓縮了光通道的材料并產(chǎn)生了某種‘砰’，聲波誕生了。” 聲波與光一起穿過光波導(dǎo)，壓縮周圍的光通道材料。這種壓縮也會(huì)影響和改變光的傳播速度。因此，通過調(diào)制聲音，科學(xué)家們還可以操縱穿過芯片的光波，從而處理基于光的信息傳輸。
雖然理論成立，但在實(shí)踐中仍存在一些問題。Marpaung教授和他的團(tuán)隊(duì)提出了一種出色的標(biāo)準(zhǔn)光波導(dǎo)替代設(shè)計(jì)，解決了光波和聲波不能有效結(jié)合的問題。Marpaung教授解釋說：“我們制作了一種波導(dǎo)，在玻璃外殼內(nèi)包含的不是一個(gè)而是兩個(gè)氮化硅核心。” “當(dāng)光線穿過這兩個(gè)核心時(shí)，核心之間會(huì)有一些光泄漏到玻璃外殼中。如果我們也在核心之間創(chuàng)建聲波，引導(dǎo)它進(jìn)入玻璃外殼內(nèi)部，就能將聲波和光波保持在一個(gè)空間中，讓聲音干擾光。
Marpaung教授稱，該解決方案的優(yōu)點(diǎn)在于，基于穩(wěn)定成熟的設(shè)計(jì)光波導(dǎo)可以輕松修改以適應(yīng)更多應(yīng)用?！斑@個(gè)新設(shè)計(jì)基本上是原理的證明，”Marpaung還說，“在對我們的基本設(shè)計(jì)進(jìn)行修改和縮放之后，將會(huì)有很多應(yīng)用出現(xiàn)，因?yàn)槁暡梢砸愿叻直媛屎透呔冗^濾和選擇信息。例如，它可以用于太空和國防技術(shù)、下一代通信技術(shù)，還有量子計(jì)算機(jī)。
光芯片為計(jì)算卡裝“渦輪增壓”
近年來，隨著大數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心的能耗問題，一直被各級政府、產(chǎn)業(yè)界和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營方所關(guān)注。采用光學(xué)計(jì)算芯片應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，提供低功耗的算力，相較于傳統(tǒng)的GPU方案，現(xiàn)階段的技術(shù)水平可以將功耗控制到十分之一。
瞄準(zhǔn)“降低大數(shù)據(jù)算力能耗”這一目標(biāo)，早在2020年，光子算數(shù)團(tuán)隊(duì)就在業(yè)內(nèi)率先開展了技術(shù)應(yīng)用初步驗(yàn)證，并推出了基于自研光計(jì)算芯片的“光電融合AI加速計(jì)算卡”，也成為國內(nèi)最早嘗試將光子芯片商業(yè)化的企業(yè)之一。
白冰介紹說，所謂“光電融合AI加速計(jì)算卡”，就是利用光電混合原理和技術(shù)，讓數(shù)據(jù)在光電兩部分中完成“流動(dòng)”，執(zhí)行一個(gè)完整的計(jì)算過程的混合AI計(jì)算硬件系統(tǒng)。
在技術(shù)架構(gòu)上，計(jì)算卡一半是電學(xué)部分，包含邏輯控制、緩存和與光學(xué)芯片相配合的定制化IP。另一半是光學(xué)模組，除了光學(xué)計(jì)算芯片外，還有一顆DFB激光器芯片，以及小型的控制、電源芯片等組件。
目前計(jì)算卡可做到30-80路1080P視頻同步處理，功耗不到100W，在混合精度下峰值算力接近120TOPS，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，被應(yīng)急管理部信息研究院、中國電子科技集團(tuán)某公司等企業(yè)應(yīng)用，隨著技術(shù)的迭代還將不斷優(yōu)化提升算力。白冰做了一個(gè)形象的比喻：“加上光子協(xié)處理引擎模塊，相當(dāng)于給傳統(tǒng)計(jì)算卡加了一個(gè)‘渦輪增壓’?！?/span>
以光子算數(shù)為代表的光子芯片企業(yè)快速發(fā)展背后，離不開政策、產(chǎn)業(yè)生態(tài)和平臺(tái)的支持：《北京市關(guān)于促進(jìn)高精尖產(chǎn)業(yè)投資推進(jìn)制造業(yè)高端智能綠色發(fā)展的若干措施》當(dāng)中，明確提出要搶先布局光電子、前沿新材料、量子信息等領(lǐng)域未來前沿產(chǎn)業(yè)。并支持中外機(jī)構(gòu)聯(lián)合建立雙向創(chuàng)新平臺(tái)、項(xiàng)目服務(wù)平臺(tái)、投資平臺(tái)。這為電子城IC/PIC創(chuàng)新中心的快速發(fā)展，奠定了良好的基礎(chǔ)。
