半導(dǎo)體行業(yè)關(guān)于高性能微處理器和相關(guān)集成電路的領(lǐng)先會(huì)議之一Hot Chip 32近期落下帷幕, 脫胎于麻省理工學(xué)院(MIT)的人工智能加速開(kāi)發(fā)光學(xué)計(jì)算處理器的子公司Lightmatter展示了一款測(cè)試芯片。

據(jù)悉,這款處理器芯片使用了硅光子學(xué)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(jì)算速度比晶體管芯片(包括最新的GPU)要快幾個(gè)數(shù)量級(jí),而且耗電量非常小。

幾十年前就有研究人員嘗試將光學(xué)應(yīng)用在計(jì)算領(lǐng)域,但是一直沒(méi)有找到合適的落地場(chǎng)景。

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

未來(lái)計(jì)算呼喚更高性能硬件

Lightmatter表示將在2021年秋季推出其首個(gè)商用產(chǎn)品,一款帶有光學(xué)計(jì)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(jì)算機(jī)硬件公司,致力于使用集成的光子學(xué)技術(shù)來(lái)制造更快、更高效的處理器。這家公司的重點(diǎn)研究領(lǐng)域是使用傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)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(lái)加速深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵操作。

談到深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就不得不提谷歌,谷歌開(kāi)源軟件平臺(tái)TensorFlow就可用于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練和推理算法,而Lightmatter也在2019年從谷歌母公司Alphabet旗下的風(fēng)險(xiǎn)投資部門(mén)GV處獲得了一筆投資。這似乎說(shuō)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(shí)代提供更高性能的硬件,另一方面則是為了應(yīng)對(duì)摩爾定律失效的可能。未來(lái),人類(lèi)可能無(wú)法再依靠過(guò)去晶體管堆疊的方式來(lái)提升計(jì)算機(jī)的性能,光子芯片被認(rèn)為是未來(lái)的主要發(fā)展方向之一。

在這樣的技術(shù)發(fā)展背景下,國(guó)內(nèi)外光子芯片研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始嶄露頭角。國(guó)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(xué)院物理系,博士在讀期間專攻納米光學(xué)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(duì)可程序設(shè)計(jì)納米光子處理器的論文。2018年,曦智科技創(chuàng)立,獲得百度風(fēng)投與真格基金的1000萬(wàn)美元投資。

資本加持下,沈亦晨帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)于2019年4月推出全球首個(gè)光子AI 芯片原型。公開(kāi)資料顯示,曦智科技研究團(tuán)隊(duì)在這個(gè)原型產(chǎn)品上成功用光子芯片運(yùn)行了Google Tensorflow自帶的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)處理MNIST數(shù)據(jù)集。這個(gè)模型是一個(gè)使用計(jì)算機(jī)視覺(jué)識(shí)別手寫(xiě)數(shù)字的基準(zhǔn)機(jī)器學(xué)習(xí)模型,也是機(jī)器學(xué)習(xí)中最著名的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集之一。

曦智科技表示,測(cè)試中整個(gè)模型超過(guò)95%的運(yùn)算是在光子芯片上完成的處理,測(cè)試結(jié)果顯示,光子芯片處理的準(zhǔn)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(shí)間是最先進(jìn)的電子芯片的1/100以內(nèi)。

在國(guó)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(jìn)入到公眾視野。

光子芯片商業(yè)化蓄勢(shì)待發(fā)

今年,曦智科技已完成由經(jīng)緯中國(guó)和中金資本旗下中金硅谷基金領(lǐng)投的2600萬(wàn)美元A輪融資,以及和利資本等機(jī)構(gòu)的數(shù)千萬(wàn)美元A+輪融資。

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

可以看出,光子芯片距離在國(guó)內(nèi)正式商用越來(lái)越近了。

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

新基建浪潮下,數(shù)據(jù)中心作為重要新型基礎(chǔ)設(shè)施,成為了百度、騰訊、阿里等科技巨頭爭(zhēng)相搶占的數(shù)字高地。數(shù)字經(jīng)濟(jì)已經(jīng)成為推動(dòng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)高質(zhì)量發(fā)展的主旋律,全國(guó)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(wú)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(duì)算力的更高要求。

隨之帶來(lái)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(lái)了極佳的應(yīng)用機(jī)會(huì)。

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(guān)負(fù)責(zé)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(lǐng)域,目前國(guó)內(nèi)對(duì)口人才屈指可數(shù),了解的人并不多。

若走到實(shí)際應(yīng)用階段,又該如何快速打開(kāi)市場(chǎng)呢?該負(fù)責(zé)人對(duì)記者表示,這是個(gè)既復(fù)雜又簡(jiǎn)單的問(wèn)題:簡(jiǎn)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(wù)器里,實(shí)現(xiàn)性能加成;復(fù)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(tuán)隊(duì)在芯片設(shè)計(jì)和軟件架設(shè)上進(jìn)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(shì)明顯,但也有不能觸及之地,比如在存儲(chǔ)上,光子芯片在短期內(nèi)是無(wú)法代替電子芯片的。不過(guò)從長(zhǎng)期看,光子技術(shù)不斷迭代而且發(fā)展遠(yuǎn)快于傳統(tǒng)數(shù)字芯片,未來(lái)大面積替代電子芯片的可能性很高。

由于外部壓力加上關(guān)鍵技術(shù)短缺,我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)正在艱難前行。從產(chǎn)業(yè)角度來(lái)說(shuō),我國(guó)在光子芯片研發(fā)速度上有望趕超國(guó)際,因此推動(dòng)國(guó)內(nèi)光子芯片研發(fā)或許是為我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)鏈紓困的關(guān)鍵一步。除了創(chuàng)業(yè)企業(yè)以外,北京大學(xué)、南京大學(xué)等國(guó)內(nèi)高校團(tuán)隊(duì)也在不遺余力地在光子芯片技術(shù)研究領(lǐng)域添磚加瓦。

目前中國(guó)在光子芯片領(lǐng)域已經(jīng)取得了突破性的進(jìn)展,在業(yè)內(nèi)企業(yè)和科研團(tuán)隊(duì)的帶領(lǐng)下,我國(guó)集成電路產(chǎn)業(yè)或?qū)⒃诓痪玫膶?lái)迎來(lái)一次重要突破。