據(jù)新華社報道，近日，清華大學(xué)研究團隊首創(chuàng)了一種干涉—衍射分布式廣度光計算架構(gòu)，并研制出高算力、高能效的智能光計算芯片，可實現(xiàn)每秒每焦耳160萬億次運算的通用智能計算，為大模型通用智能計算探索了新路徑。該研究于12日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

清華大學(xué)電子工程系方璐課題組、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長戴瓊海院士課題組，摒棄了傳統(tǒng)電子深度計算范式，構(gòu)建了智能光計算的通用傳播模型，首創(chuàng)了名為Taichi（意為“太極”）的干涉—衍射分布式廣度光計算架構(gòu)?；诖藙?chuàng)新架構(gòu)，課題組進一步探索干涉光與衍射光的優(yōu)勢特性，又研制出干涉—衍射異構(gòu)集成智能光計算芯片。

報道引述論文第一作者、清華大學(xué)電子系博士生徐智昊介紹，與國際上高性能人工智能芯片相比，“太極”芯片的系統(tǒng)整體能量效率提升了3個數(shù)量級，可將復(fù)雜智能任務(wù)拆分為多通道高并行的子任務(wù)，賦能光計算實現(xiàn)自然場景千類對象識別、跨模態(tài)內(nèi)容生成等人工智能復(fù)雜任務(wù)。

此外，目前該團隊正與相關(guān)機構(gòu)洽談，建設(shè)算力實驗室，以期用智能光計算芯片支撐大模型訓(xùn)練與推理、通用人工智能等人工智能研究與應(yīng)用。


清華光芯片將重塑AI計算邊界？

這款芯片采用了一種全新的光電路設(shè)計，可以高效利用光子進行運算，從而突破了傳統(tǒng)電子芯片在算力和能效上的bottleneck。

咱們先來看看這款芯片的一些核心亮點。首先它的峰值能效高達160 TOPSW，目前是最高能效的人工智能芯片之一。它使用硅基光子集成電路工藝制造，已經(jīng)推出了原型芯片并通過實驗驗證了設(shè)計的可行性。它采用了創(chuàng)新的＂太極＂光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光電復(fù)用電路設(shè)計，可以在芯片上同時傳輸電信號和光信號，從而大幅提高了集成度，減小了芯片面積。

這玩意兒是清華大學(xué)的一幫高手研發(fā)出來的，采用了一種全新的＂太極＂光電路設(shè)計。傳統(tǒng)的電子芯片用的是電流傳輸信號，但電流在高速運算時會產(chǎn)生很多熱量，導(dǎo)致能耗太高。而光芯片則是利用光子來傳輸信號，光子在傳輸過程中基本不會產(chǎn)生熱量，所以能效特別高。

這款＂太極＂光芯片的峰值能效高達160 TOPSW，可以說是目前最高能效的AI芯片了。它的核心創(chuàng)新就在于那個＂太極＂光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以讓光在芯片上高效傳輸和轉(zhuǎn)彎，從而大幅減小芯片面積。

另外，它還設(shè)計了一種光電復(fù)用電路，可以在同一個芯片上同時傳輸電信號和光信號，提高了集成度。你想啊，把光路和電路集成到一起，那運算速度和帶寬就更高了。

總之嘛，這款芯片的優(yōu)勢主要有三個:高能效、高集成、高帶寬。對于未來的人工智能算法，尤其是要在邊緣設(shè)備上運行的，這些優(yōu)勢可都是硬核亮點??！

咱們繼續(xù)聊聊這款＂太極＂光芯片的關(guān)鍵性能。

首先就是它的能效表現(xiàn)了，160 TOPSW的峰值能效水平可以說是領(lǐng)跑同行了。要知道，對于AI算法來說，能效就是硬指標，能效越高，運算成本就越低，對設(shè)備的發(fā)熱和功耗影響就越小。

這款芯片采用的是硅基光子集成電路工藝，也就是說它的制造工藝和傳統(tǒng)電子芯片是一致的，這就意味著未來有望實現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，成本會更加可控。

研究團隊已經(jīng)利用該工藝流程制造出了原型芯片，并通過實驗驗證了設(shè)計的可行性。所以說，這款芯片已經(jīng)不是紙上談兵，而是有了實實在在的產(chǎn)品雛形。


光芯片與AI:強強聯(lián)手突破算力瓶頸

光芯片最吸引人的地方，在于它與AI技術(shù)的天然契合度。AI算法對算力的需求，正是光芯片所擅長的領(lǐng)域。

具體來說，光芯片可以充當AI系統(tǒng)的加速器，大幅提升AI算法的運算速度。例如，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，光芯片可以加速卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等運算密集型操作，使訓(xùn)練時間大幅縮短。

光芯片與AI的結(jié)合還可以降低功耗，提高能源利用效率。AI系統(tǒng)通常需要大量的計算資源，能耗問題一直是個痛點。而低功耗正是光芯片的優(yōu)勢所在，兩者的結(jié)合可以有效緩解這一矛盾。

未來的AI系統(tǒng)將會充分利用光芯片的優(yōu)勢，通過光電混合集成等技術(shù)，將光芯片與電子芯片緊密融合，發(fā)揮兩者的協(xié)同作用，從而突破當前的算力瓶頸，推動AI技術(shù)的進一步發(fā)展。


光芯片成果不斷，落地緩慢？

光芯片看起來是很不錯的技術(shù)路徑，但到底多久才能落地？

經(jīng)緯創(chuàng)投認為，光芯片商業(yè)化有兩大路徑：第一種思路是短期內(nèi)不尋求完全替代電，不改動基礎(chǔ)架構(gòu)，最大化地強調(diào)通用性，形成光電混合的新型算力網(wǎng)絡(luò)；另一種思路是把光芯片模塊化，不僅僅追求在計算領(lǐng)域的應(yīng)用，還追求在片上、片間的傳輸領(lǐng)域應(yīng)用，追求光模塊的“即插即用”。

硅光芯片不是靠尖端制程來獲勝，更多是靠速度和功耗，比如光的調(diào)制解調(diào)的速度、功耗，還有多波復(fù)用，在一個波導(dǎo)里面同時能通過多少路光等。

可以理解為，光芯片最大的優(yōu)勢在于技術(shù)通用性。

這也不難理解，因為無論是生產(chǎn)商還是客戶，最大的訴求之一就是要確保通用性。產(chǎn)品實現(xiàn)“開箱即用”才能夠最大限度降低學(xué)習(xí)成本，不需要對現(xiàn)在的底層框架進行過多修改，就能夠適配到成千上萬個應(yīng)用場景中。所以不動基礎(chǔ)架構(gòu)，而是把線性計算的計算核部分用光來部分替代，形成光電混合的算力網(wǎng)絡(luò)新形式，是最快的商業(yè)化路徑。

另一方面，全球光計算芯片競賽，各國和地區(qū)相繼出臺政策推動發(fā)展。

美國國防部高級研究計劃局(DARPA) 早在2019年就啟動“未來計算系統(tǒng)”項目，以研究具備深度學(xué)習(xí)能力、高算力和低功耗的集成光子芯片。

歐盟在2020開始啟動PHOOUSING項目，致力于開發(fā)基于集成光子技術(shù)的將經(jīng)典過程和量子過程結(jié)合起來的混合計算系統(tǒng)。

我國科技部“十四五”重點專項申報指南中，也將信息光子技術(shù)、高性能計算、物態(tài)調(diào)控、光電混合AI加速計算芯片列為重要內(nèi)容，其中包括光電混合AI加速計算芯片、量子計算、基于固態(tài)微腔光電子芯片、光學(xué)神經(jīng)擬態(tài)計算系統(tǒng)等技術(shù)的研發(fā)。

能看到，如何為智能時代提供更強大算力，許多國家已在思考下一波的發(fā)展浪潮，光計算正是頗具潛力的選項之一。

潛力之下，光芯片挑戰(zhàn)尚在

雖然提到了很多優(yōu)勢，但光芯片作為一項前沿技術(shù)，必然有很多挑戰(zhàn)有待克服。

工藝挑戰(zhàn)：由于要用于復(fù)雜計算，光器件的數(shù)量必然會很多，要達到不錯的性能至少需要上萬個，這會帶來更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更大的尺寸。為了實現(xiàn)可編程，必然要對每個器件進行控制，也會要求高集成度和一些Knowhow積累。這些要求會產(chǎn)生一些工藝上的挑戰(zhàn)，同時導(dǎo)致成本很高，以及整體穩(wěn)定性、生產(chǎn)良率都有挑戰(zhàn)，所以必須找到一種低成本、高良率的方法，來控制大量光器件的技術(shù)。

溫度難題：因為是模擬計算，當整個環(huán)境溫度對電芯片產(chǎn)生影響的時候，對光信號也會產(chǎn)生擾動，影響計算精度。有一種辦法是把整個芯片放在恒溫環(huán)境下，通過溫控電路來實現(xiàn)。但這反過來會犧牲一些光計算的低能耗優(yōu)勢。此外，對于溫度控制，還包括芯片內(nèi)部發(fā)熱，導(dǎo)致對周邊器件的影響問題。

產(chǎn)業(yè)鏈未形成成熟分工：光芯片技術(shù)門檻高、產(chǎn)品線難以標準化，生產(chǎn)各工藝綜合性更強，相比于大規(guī)模集成電路已形成高度的產(chǎn)業(yè)鏈分工，光芯片產(chǎn)業(yè)鏈行業(yè)尚未形成成熟的設(shè)計-代工-封測產(chǎn)業(yè)鏈。

新藍海市場亟待開拓：光芯片下游大客戶為主，可靠性與交付能力是重要競爭力；光芯片產(chǎn)業(yè)參與者眾多，中低端領(lǐng)域競爭激烈，高端市場仍是藍海。在算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)海量增長的背景下，光芯片將會迎來巨大的機會。

對于我國光芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑，有業(yè)內(nèi)人士認為或?qū)⒔?jīng)歷兩個階段：

1）在細分領(lǐng)域憑借自身技術(shù)實力，綁定優(yōu)質(zhì)客戶實現(xiàn)進口替代；

2）產(chǎn)品品類橫向擴張，打開遠期成長天花板。

由于光芯片行業(yè)具備細分品類較多等特點，中短期內(nèi)看好在細分領(lǐng)域中具備深厚技術(shù)積累，且已綁定優(yōu)質(zhì)客戶的國產(chǎn)廠商，有望率先開啟進口替代步伐，占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢；長期來看，具備較強橫向擴張能力的光芯片企業(yè)更具備競爭優(yōu)勢。