一篇頂刊論文引出的新型賽道 光子計(jì)算踏上AI計(jì)算新征程

光子計(jì)算時(shí)代到來(lái)了嗎？幾家中美芯片創(chuàng)企正試圖給出正面的回答。

2020年6月，LightOn發(fā)表用光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練芯片運(yùn)行AI模型的新論文；7月，曦智科技拿到由和利資本投資的數(shù)千萬(wàn)美元A+輪融資；8月，Lightmatter在芯片頂會(huì)HotChips上展示了其光子芯片的架構(gòu)細(xì)節(jié)；12月，光子算數(shù)宣布其打造的光電混合AI加速計(jì)算卡已交予服務(wù)器廠商客戶做測(cè)試。

在加速人工智能（AI）這條賽道上，光子計(jì)算芯片這條創(chuàng)新的技術(shù)方向正異軍突起。這是一群勇敢的探路人，他們?cè)谄诖蜖?zhēng)議中前行，一步一個(gè)腳印地試圖證明自己判斷方向的正確性。

光子AI芯片距離產(chǎn)業(yè)化落地還有多遠(yuǎn)？在這一賽道的創(chuàng)業(yè)者們，能給計(jì)算芯片帶來(lái)新的驚喜嗎？

01 一篇頂刊論文引出的新型賽道

隨著摩爾定律滯緩，硅光子技術(shù)成為超越摩爾定律的研究方向之一。

2017年，來(lái)自英國(guó)艾克塞特大學(xué)、牛津大學(xué)和明斯特大學(xué)的研究人員，宣布了其類腦光驅(qū)動(dòng)芯片研究成果。他們用特殊相變材料和光子集成電路模擬人腦神經(jīng)突觸，使得這款芯片在測(cè)試中的數(shù)據(jù)傳輸速度達(dá)300Gbps，比當(dāng)時(shí)現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)處理器要快10-50倍，同時(shí)功耗大幅降低。

在同年5月的美國(guó)麻省理工學(xué)院10萬(wàn)美元?jiǎng)?chuàng)業(yè)大賽上，一支來(lái)自麻省理工學(xué)院（MIT）的團(tuán)隊(duì)?wèi){借用納米光子芯片執(zhí)行AI任務(wù)，成功斬獲大獎(jiǎng)。

1個(gè)月后，主創(chuàng)團(tuán)隊(duì)的研究成果登上頂級(jí)期刊《自然·光子學(xué)》的封面，論文描述了一種利用光學(xué)干涉進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的創(chuàng)新方法。當(dāng)時(shí)，國(guó)際著名光學(xué)科學(xué)家、斯坦福大學(xué)終身教授David Miller評(píng)價(jià)稱：“這一系列研究成果極大地推動(dòng)了集成光學(xué)未來(lái)取代傳統(tǒng)電子計(jì)算芯片的發(fā)展?！?/p>

這篇光子芯片論文的一作及通訊作者是MIT博士后沈亦晨，二作是尼克·哈里斯（Nick Harris）。不久之后，這些論文合著者將成為商業(yè)上的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，開啟各自的創(chuàng)業(yè)之旅，并分別獲得來(lái)自谷歌、百度等科技巨頭的投資。

光子是當(dāng)前速度最快的粒子，相較電子，速度更快而功耗極低。此前光學(xué)技術(shù)通常應(yīng)用于通信傳輸領(lǐng)域，借助光的更快速度、更高容量等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，但在計(jì)算領(lǐng)域進(jìn)展緩慢。

實(shí)際上，光計(jì)算的研究歷史并不短暫。在國(guó)外，1950年代前后，貝爾實(shí)驗(yàn)室等機(jī)構(gòu)花費(fèi)大量精力來(lái)設(shè)計(jì)光學(xué)計(jì)算機(jī)部件；在國(guó)內(nèi)，1987年中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所王之江院士曾于《中國(guó)科學(xué)院院刊》上撰文，提出了極具前瞻性的發(fā)展光計(jì)算技術(shù)的建議，并于此后在光學(xué)神經(jīng)學(xué)邏輯計(jì)算方面開展了大量的工作。

由于光計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景并不清晰，軟硬件體系也不夠完善，關(guān)于如何用光子代替電子芯片執(zhí)行計(jì)算的想法長(zhǎng)期停留在研究階段，鮮少在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮廣泛的作用。

直到摩爾定律趨于滯緩，AI的巨輪開始起航。

02 光子AI芯片的優(yōu)勢(shì)：

速度快、功耗低、擅長(zhǎng)并行計(jì)算

作為統(tǒng)治計(jì)算的一個(gè)基準(zhǔn)法則，摩爾定律指出，微處理器芯片上的晶體管數(shù)每18-24個(gè)月翻一番，曾長(zhǎng)期作為推動(dòng)電子設(shè)備小型化和互聯(lián)網(wǎng)普及的關(guān)鍵動(dòng)力。

但這是芯片制造商及供應(yīng)商竭力維系摩爾定律的結(jié)果，隨著逼近物理尺寸極限、散熱難題即將成為無(wú)法克服的挑戰(zhàn)，以及許多關(guān)鍵的計(jì)算密集型應(yīng)用發(fā)展提速，人們對(duì)摩爾定律的未來(lái)產(chǎn)生了更多疑慮，對(duì)芯片技術(shù)創(chuàng)新的需求也愈發(fā)迫切。

2016年，《Nature》在“超越摩爾（More than Moore）”一文中指出，摩爾定律已接近日薄西山，接下來(lái)硅晶技術(shù)的發(fā)展將不再以摩爾定律為中心，造出更好的芯片然后讓應(yīng)用跟進(jìn)，而是從應(yīng)用出發(fā)來(lái)看需要怎樣的芯片支持，進(jìn)而容納更多細(xì)微復(fù)雜的創(chuàng)新方向。

而根據(jù)OpenAI發(fā)布的分析數(shù)據(jù)，自2012年以來(lái)，AI訓(xùn)練對(duì)算力的需求每3.43個(gè)月翻一番，增速明顯快于摩爾定律。

▲自2012年以來(lái)算力需求增長(zhǎng)超過(guò)30萬(wàn)倍，而如果以摩爾定律的速度只會(huì)有 12 倍的增長(zhǎng)（來(lái)源：OpenAI）

隨著以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算為主的AI應(yīng)用普及，一些研究人員意識(shí)到，深度學(xué)習(xí)可能是數(shù)十年來(lái)光學(xué)計(jì)算所等待的“殺手級(jí)應(yīng)用”。

首先，光速快于電子速度，理想狀態(tài)下，光子芯片的計(jì)算速度能比電子芯片快約1000倍。同時(shí)，采用成熟半導(dǎo)體工藝技術(shù)的光子芯片，即可達(dá)到當(dāng)下需要的計(jì)算能力。

其次，光子計(jì)算消耗能量少，同等計(jì)算速度下，光子芯片的功耗僅為電子芯片的數(shù)百分之一，可以緩解AI創(chuàng)新所需的數(shù)據(jù)中心建設(shè)對(duì)環(huán)境的影響。

▲Lightmatter聯(lián)合創(chuàng)始人兼CEO尼克·哈里斯在2020年Hot Chips上講解光子計(jì)算相較電子計(jì)算的延時(shí)、帶寬、功耗優(yōu)勢(shì)

最后，光計(jì)算技術(shù)具有并行計(jì)算的特點(diǎn)，光波的頻率、波長(zhǎng)、偏振態(tài)和相位等信息可以代表不同的數(shù)據(jù)，且光路在交叉?zhèn)鬏敃r(shí)互不干擾。這些特性使得光子擅長(zhǎng)做并行運(yùn)算，與多數(shù)計(jì)算過(guò)程花在“矩陣乘法”上的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相契合。

總體而言，光具有高計(jì)算速度、低功耗、低時(shí)延等特點(diǎn)，且不易受到溫度、電磁場(chǎng)和噪聲變化的影響，在AI應(yīng)用領(lǐng)域，將光學(xué)技術(shù)與電子學(xué)結(jié)合，有望提供比傳統(tǒng)方法更好的速度和能效。

03 光子計(jì)算走向商業(yè)化

嗅到AI加速帶來(lái)的機(jī)會(huì)后，來(lái)自英、法、美、中的一些創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)開始揚(yáng)帆起航，切入云端AI計(jì)算市場(chǎng)，其中不乏有初創(chuàng)公司得到來(lái)自科技巨頭及知名投資者的投資。

2013年成立的英國(guó)創(chuàng)企 Optalysys，曾于2015年創(chuàng)建一個(gè)光計(jì)算原型，實(shí)現(xiàn)了約320Gflops的處理速度，且能效非常低。去年上半年，Optalysys推出了入門級(jí)光學(xué)協(xié)處理器FT： X2000，計(jì)劃出售給包括計(jì)算機(jī)制造、國(guó)防及航空航天領(lǐng)域的部分合作伙伴及早期客戶。

▲Optalysys入門級(jí)光學(xué)協(xié)處理器FT： X2000

初創(chuàng)公司 Fathom Computing成立于2014年，其光子原型計(jì)算機(jī)在2014年時(shí)識(shí)別手寫數(shù)字的準(zhǔn)確率還只有30%左右，到2018年時(shí)已經(jīng)超過(guò)90%。其創(chuàng)始人Willam Andregg稱，這是機(jī)器學(xué)習(xí)軟件首次使用激光脈沖電路而非電力進(jìn)行訓(xùn)練。不過(guò)近兩年，這家創(chuàng)企似乎并未公開更多進(jìn)展。

2018年，成立兩年、總部位于法國(guó)巴黎的創(chuàng)企 LightOn宣布，它已經(jīng)開始在歐洲的數(shù)據(jù)中心測(cè)試自己的光學(xué)處理單元（OPU）技術(shù)。2020年6月，LightOn發(fā)表的新論文顯示，其光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練芯片在運(yùn)行基于MNIST手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集訓(xùn)練的模型時(shí)，學(xué)習(xí)率為0.01，測(cè)試準(zhǔn)確率達(dá)到95.8%；同一算法在GPU上的學(xué)習(xí)率為0.001、準(zhǔn)確率達(dá)97.6%。而該光學(xué)芯片的功耗效率要比GPU高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

論文鏈接：https://arxiv.org/pdf/2006.01475.pdf

當(dāng)然，名氣最盛的光子芯片創(chuàng)業(yè)者，當(dāng)屬曾在《自然·光子學(xué)》上發(fā)表封面文章、來(lái)自麻省理工學(xué)院的沈亦晨和尼克·哈里斯，兩人均在2017年成立光子芯片公司，都選擇Mach-Zehnder干涉儀光開關(guān)陣列（MZI）作為基礎(chǔ)計(jì)算單元，但具體的MZI結(jié)構(gòu)及陣列架構(gòu)有所不同。

沈亦晨在美國(guó)波士頓創(chuàng)辦 Lightelligence，在中國(guó)上海成立 曦智科技，發(fā)展了跨國(guó)多元團(tuán)隊(duì)，是目前全球融資額最高的光子計(jì)算初創(chuàng)公司。

曦智科技在2018年獲得由百度風(fēng)投和美國(guó)半導(dǎo)體高管財(cái)團(tuán)領(lǐng)投的逾1000萬(wàn)美元種子輪融資；2020年4月完成由經(jīng)緯中國(guó)和中金資本旗下中金硅谷基金領(lǐng)投、百度風(fēng)投繼續(xù)追加投資的2600萬(wàn)美元A輪融資；2020年7月完成由和利資本投資的數(shù)千萬(wàn)美元A+輪融資。

2019年4月，曦智科技發(fā)布全球首款光子芯片原型板卡，在運(yùn)行TensorFlow處理MNIST數(shù)據(jù)集的測(cè)試中取得百倍以上的速度提升，準(zhǔn)確率接近電子芯片（97%以上），而完成矩陣乘法所用的時(shí)間不到最先進(jìn)電子芯片的1/100。曦智科技計(jì)劃從2021年起為AI云計(jì)算帶來(lái)高效的量產(chǎn)產(chǎn)品。

尼克·哈里斯在波士頓創(chuàng)辦的 Lightmatter公司，則拿到了由谷歌風(fēng)投、星火資本、經(jīng)緯創(chuàng)投等投資的3300萬(wàn)美元資金。

在2020年的芯片頂會(huì)Hot Chips上，Lightmatter展示了其用于AI推理加速的測(cè)試芯片Mars，該芯片利用硅光電學(xué)和MEMS技術(shù)，通過(guò)由毫瓦級(jí)激光光源，為用光執(zhí)行矩陣向量乘法提供動(dòng)力。相較傳統(tǒng)電子芯片，其計(jì)算速度提升數(shù)個(gè)量級(jí)。

Lightmatter預(yù)計(jì)在2021年秋季推出這款測(cè)試芯片的首款商用產(chǎn)品，并為之打造了必要的軟件工具鏈。哈里斯稱其量產(chǎn)芯片在BERT、Resnet-50推理等工作負(fù)載上，能效將是AI芯片領(lǐng)導(dǎo)者NVIDIA旗艦芯片A100的20倍、吞吐量將是A100的5倍。

▲Lightmatter測(cè)試芯片Mars

看到《自然·光子學(xué)》上MIT團(tuán)隊(duì)刊發(fā)的論文后，正在研究光電子的中國(guó)北京交通大學(xué)2014級(jí)博士生白冰獲得了新的啟發(fā)，他與十余位來(lái)自清華、北大等北京8所高校的博士生們一起，在2017年在北京創(chuàng)立 光子算數(shù)團(tuán)隊(duì)，開始推進(jìn)光子AI芯片商業(yè)化。

光子算數(shù)于2018年9月獲得臻云創(chuàng)投、英諾天使基金投資的天使輪融資、2019年獲得由水木清華校友基金、常見投資、英諾天使基金、臻云創(chuàng)投等投資的A輪融資。

目前光子算數(shù)已研發(fā)可編程光子陣列芯片F(xiàn)PPGA（Field Programmable Photonic Gate Arrays），并基于此與北京高校一起打造了面向服務(wù)器的光電混合AI加速計(jì)算卡，能完成包括機(jī)器學(xué)習(xí)推理、時(shí)間序列分析在內(nèi)的一些定制化加速任務(wù)。

其計(jì)算卡已于2020年交由服務(wù)器廠商客戶進(jìn)行測(cè)試，在不到70W的運(yùn)行功耗下，能做三四十路1080P視頻同步處理，混合精度下峰值算力接近20TOPS，光部分為低精度，電部分為高精度。

從美國(guó)普林斯頓大學(xué)脫胎而出的美國(guó)光子AI芯片創(chuàng)企 Luminous Computing成立相對(duì)晚一些。

該公司由首席策略官M(fèi)ichael Gao、CEO Marcus Gomez和CTO Mitchell Nahmias在2018年聯(lián)合創(chuàng)立，于2019年籌得來(lái)自微軟創(chuàng)始人比爾·蓋茨、Uber首席執(zhí)行官Dara Khosrowshahi等知名投資者的900萬(wàn)美元種子輪融資，2020年又籌得由Helios Capital領(lǐng)投的900萬(wàn)美元A輪融資。

Nahmias在普林斯頓PhD期間的主要研究方向即是光子AI芯片。與MIT團(tuán)隊(duì)不同，他們采用的并非MZI，而是被稱為Broadcast and Weight的方案，相較MZI型方案多了光電轉(zhuǎn)換過(guò)程，且對(duì)相位不敏感。Nahmias稱其光子集成電路可以取代3000塊TPU板，更加節(jié)省能耗，且能突破現(xiàn)有AI芯片傳輸數(shù)據(jù)的瓶頸。

▲Broadcast and Weight方案的原理框架

這些創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)的硬件均被設(shè)計(jì)為可以插入標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器和工作站中，可實(shí)現(xiàn)即插即用，并能與主流AI軟件配合使用，以滿足商用需求。

04 結(jié)語(yǔ)：光子計(jì)算踏上AI計(jì)算新征程

訓(xùn)練AI模型需要超高算力的計(jì)算機(jī)芯片，這使得芯片巨頭、初創(chuàng)公司之間展開一場(chǎng)圍繞AI計(jì)算的全新角逐。

如今光子計(jì)算仍處早期階段，站在這一全新計(jì)算賽道上的玩家們，幾乎沒(méi)有前路可以借鑒，他們正頂著技術(shù)挑戰(zhàn)、落地風(fēng)險(xiǎn)等方面的壓力，試圖構(gòu)建起光子計(jì)算生態(tài)，探索著改變計(jì)算的可能。

對(duì)于投資者來(lái)說(shuō)，新興計(jì)算技術(shù)仍充滿風(fēng)險(xiǎn)。但隨著世界對(duì)多元計(jì)算方式的需求增加，以光子計(jì)算、神經(jīng)擬態(tài)芯片、量子芯片等為代表的新興計(jì)算方法，正被寄予打破標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算系統(tǒng)制約的期待。

這是件令人期待的事情，光學(xué)計(jì)算已經(jīng)在商業(yè)化道路上邁出了重要的一步，而一旦有初創(chuàng)公司解決工程化挑戰(zhàn)、取得落地商用的成功，光學(xué)計(jì)算革命的大門或?qū)⒂纱碎_啟。

責(zé)任編輯：PSY