半導體行業(yè)關于高性能微處理器和相關集成電路的領先會議之一Hot Chip 32近期落下帷幕, 脫胎于麻省理工學院(MIT)的人工智能加速開發(fā)光學計算處理器的子公司Lightmatter展示了一款測試芯片。

據(jù)悉,這款處理器芯片使用了硅光子學和MEMS技術(shù),以光的速度(硅)執(zhí)行矩陣向量乘法,由毫瓦激光光源供電。其計算速度比晶體管芯片(包括最新的GPU)要快幾個數(shù)量級,而且耗電量非常小。

幾十年前就有研究人員嘗試將光學應用在計算領域,但是一直沒有找到合適的落地場景。

如今有著大算力需求的AI技術(shù)為光子芯片打開了應用窗口,商業(yè)化的腳步也越來越近。

未來計算呼喚更高性能硬件

Lightmatter表示將在2021年秋季推出其首個商用產(chǎn)品,一款帶有光學計算芯片的PCIe卡,專用于數(shù)據(jù)中心AI推理工作。

資料顯示,Lightmatter是一家計算機硬件公司,致力于使用集成的光子學技術(shù)來制造更快、更高效的處理器。這家公司的重點研究領域是使用傳統(tǒng)計算機芯片制造工藝中與晶體管一起制造的可編程光子元件陣列,來加速深度神經(jīng)網(wǎng)絡中的關鍵操作。

談到深度神經(jīng)網(wǎng)絡就不得不提谷歌,谷歌開源軟件平臺TensorFlow就可用于深度神經(jīng)網(wǎng)絡模型的訓練和推理算法,而Lightmatter也在2019年從谷歌母公司Alphabet旗下的風險投資部門GV處獲得了一筆投資。這似乎說明,谷歌正在從硬件層面尋求人工智能技術(shù)的突破口。

研究光子芯片一是為AI時代提供更高性能的硬件,另一方面則是為了應對摩爾定律失效的可能。未來,人類可能無法再依靠過去晶體管堆疊的方式來提升計算機的性能,光子芯片被認為是未來的主要發(fā)展方向之一。

在這樣的技術(shù)發(fā)展背景下,國內(nèi)外光子芯片研發(fā)團隊開始嶄露頭角。國內(nèi)光子芯片創(chuàng)業(yè)企業(yè)曦智科技(Lightelligence)于2018年建立,創(chuàng)始人沈亦晨畢業(yè)于麻省理工學院物理系,博士在讀期間專攻納米光學技術(shù)。2017年,沈亦晨以第一作者身份在《自然-光子》雜志上發(fā)表了一篇針對可程序設計納米光子處理器的論文。2018年,曦智科技創(chuàng)立,獲得百度風投與真格基金的1000萬美元投資。

資本加持下,沈亦晨帶領團隊于2019年4月推出全球首個光子AI 芯片原型。公開資料顯示,曦智科技研究團隊在這個原型產(chǎn)品上成功用光子芯片運行了Google Tensorflow自帶的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型來處理MNIST數(shù)據(jù)集。這個模型是一個使用計算機視覺識別手寫數(shù)字的基準機器學習模型,也是機器學習中最著名的基準數(shù)據(jù)集之一。

曦智科技表示,測試中整個模型超過95%的運算是在光子芯片上完成的處理,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),另外光子芯片完成矩陣乘法所用的時間是最先進的電子芯片的1/100以內(nèi)。

在國內(nèi)為數(shù)不多的創(chuàng)業(yè)企業(yè)中,曦智科技是首家研究出AI光子芯片原型的企業(yè),因此獲得了更多資方的青睞,逐漸進入到公眾視野。

光子芯片商業(yè)化蓄勢待發(fā)

今年,曦智科技已完成由經(jīng)緯中國和中金資本旗下中金硅谷基金領投的2600萬美元A輪融資,以及和利資本等機構(gòu)的數(shù)千萬美元A+輪融資。

沈亦晨認為,基于光子芯片速度快、損耗少、算力高、成本低的這些特點,很多面臨性能瓶頸的深度學習場景將是其大展身手的方向。他表示,曦智科技在未來3年內(nèi)將致力于布局與打造包含芯片設計、核心算法、傳輸?shù)仍趦?nèi)的完整光子計算生態(tài)。

可以看出,光子芯片距離在國內(nèi)正式商用越來越近了。

業(yè)內(nèi)專家告訴記者,數(shù)據(jù)中心服務器或許可以成為光子芯片最早的市場切入點。

新基建浪潮下,數(shù)據(jù)中心作為重要新型基礎設施,成為了百度、騰訊、阿里等科技巨頭爭相搶占的數(shù)字高地。數(shù)字經(jīng)濟已經(jīng)成為推動我國經(jīng)濟高質(zhì)量發(fā)展的主旋律,全國各地、各行業(yè)企業(yè)都在數(shù)字化轉(zhuǎn)型的道路上積極探索,無論是硬件還是軟件,都在走向AI化,這意味著數(shù)據(jù)量的增加和對算力的更高要求。

隨之帶來的是數(shù)據(jù)中心居高不下的耗電量,這為高算力、低功耗、低延遲的光子芯片帶來了極佳的應用機會。

談到光子芯片研發(fā)階段所面臨的挑戰(zhàn),某光子芯片研發(fā)企業(yè)相關負責人坦言,公司想要吸收更多技術(shù)人員,但是光子芯片是新興領域,目前國內(nèi)對口人才屈指可數(shù),了解的人并不多。

若走到實際應用階段,又該如何快速打開市場呢?該負責人對記者表示,這是個既復雜又簡單的問題:簡單在即插即用,公司可以提供端到端的解決方案,產(chǎn)品可以直接插到服務器里,實現(xiàn)性能加成;復雜在如何作出滿足用戶需求的芯片,這就需要客戶在前期和研發(fā)團隊在芯片設計和軟件架設上進行大量溝通。

光子芯片或成產(chǎn)業(yè)引路石

業(yè)內(nèi)專家指出,光子芯片雖然優(yōu)勢明顯,但也有不能觸及之地,比如在存儲上,光子芯片在短期內(nèi)是無法代替電子芯片的。不過從長期看,光子技術(shù)不斷迭代而且發(fā)展遠快于傳統(tǒng)數(shù)字芯片,未來大面積替代電子芯片的可能性很高。

由于外部壓力加上關鍵技術(shù)短缺,我國集成電路產(chǎn)業(yè)正在艱難前行。從產(chǎn)業(yè)角度來說,我國在光子芯片研發(fā)速度上有望趕超國際,因此推動國內(nèi)光子芯片研發(fā)或許是為我國集成電路產(chǎn)業(yè)鏈紓困的關鍵一步。除了創(chuàng)業(yè)企業(yè)以外,北京大學、南京大學等國內(nèi)高校團隊也在不遺余力地在光子芯片技術(shù)研究領域添磚加瓦。

目前中國在光子芯片領域已經(jīng)取得了突破性的進展,在業(yè)內(nèi)企業(yè)和科研團隊的帶領下,我國集成電路產(chǎn)業(yè)或?qū)⒃诓痪玫膶碛瓉硪淮沃匾黄啤?/span>