光電子技術(shù)如何優(yōu)化性能、提高效率、助力設(shè)備微型化

ChatGPT是今年的大熱點(diǎn)，尤其是GPT-4幾乎讓全球用戶(hù)都為之驚嘆。ChatGPT生成的文字不僅十分接近人類(lèi)的表達(dá)方式，它還能撰寫(xiě)文章、編寫(xiě)代碼、解釋復(fù)雜的概念等等。AI正在以一種零基礎(chǔ)入門(mén)的使用方式逐漸融入我們的日常生活。

AI和ML等計(jì)算密集型應(yīng)用會(huì)產(chǎn)生龐大的計(jì)算工作負(fù)載，導(dǎo)致功耗巨大，因此對(duì)處理算法、運(yùn)行模型和負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)?a href="http://www.ttokpm.com/v/tag/1751/" target="_blank">硬件提出了更高的要求。對(duì)開(kāi)發(fā)者來(lái)說(shuō)，驚嘆于ChatGPT的強(qiáng)大之余，我們也更關(guān)注此類(lèi)應(yīng)用是如何實(shí)現(xiàn)如此快速實(shí)時(shí)的對(duì)話并給出高分答案的。

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心是目前處理AI、高性能計(jì)算、大數(shù)據(jù)分析等高強(qiáng)度工作負(fù)載的普遍選擇，但此類(lèi)數(shù)據(jù)中心內(nèi)多采用傳統(tǒng)的銅互連方式來(lái)連接不同組件，面對(duì)高帶寬需求時(shí)略顯局促。

光子集成電路（PIC）能夠利用光的優(yōu)勢(shì)在這一領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本文我們將共同探討光電子技術(shù)如何優(yōu)化性能、提高效率、助力設(shè)備微型化。

01運(yùn)行AI模型的能耗巨大

ChatGPT使用了OpenAI的生成式預(yù)訓(xùn)練Transformer 3（GPT-3）技術(shù)，這一自回歸語(yǔ)言模型利用深度學(xué)習(xí)生成文本，該模型具有1,750億個(gè)參數(shù)，人腦相當(dāng)于具有1,000億個(gè)參數(shù)的模型，所以Transformer 3架構(gòu)的處理水平超越了人腦。

這樣的AI模型對(duì)內(nèi)存、GPU、CPU、加速器等硬件組件提出了極高的要求。運(yùn)行AI模型需要大規(guī)模GPU陣列、高帶寬光連接等硬件基礎(chǔ)。

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心通常占地面積達(dá)數(shù)十萬(wàn)平方英尺，擁有5,000余臺(tái)服務(wù)器，管理著petabytes級(jí)的數(shù)據(jù)，能夠高效、快速處理海量數(shù)據(jù)。然而，這種規(guī)模的容量和功能也帶來(lái)了巨大的能耗壓力：國(guó)際能源署的數(shù)據(jù)顯示，2021年，數(shù)據(jù)中心的能源用量在220至330太瓦時(shí)（TWh）之間，約占全球最終電力需求的0.9%至1.3%，甚至超過(guò)了一些國(guó)家或地區(qū)全年的能耗。

許多數(shù)據(jù)中心的硬件組件通常以銅互連方式連接，而中心內(nèi)各機(jī)架之間則往往使用光纖連接。如今，短距離光連接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展至爆發(fā)點(diǎn)，使用光電子技術(shù)的光學(xué)I/O完成交換機(jī)、CPU、GPU等核心芯片的互連以及Die-to-Die互連，正在迅速崛起成為下一代數(shù)據(jù)中心不可或缺的解決方案。利用光的特性，光子集成電路可以實(shí)現(xiàn)和擴(kuò)展數(shù)據(jù)傳輸并提高傳輸效率。從物理學(xué)角度看，光電子技術(shù)在提高帶寬和速度、降低延遲和功耗方面遙遙領(lǐng)先，完全可以滿足數(shù)據(jù)中心以及AI聊天機(jī)器人的需求。

“我們致力于為醫(yī)療保健、金融、工業(yè)等行業(yè)打造優(yōu)化的AI和量子系統(tǒng)，在這一過(guò)程中，光電子技術(shù)可大幅提升帶寬和速度，我們體驗(yàn)到了其優(yōu)勢(shì)所在。新思科技的光電子技術(shù)解決方案使我們以光速注入我們的技術(shù)，幫助客戶(hù)提升業(yè)務(wù)成果。”

Nagendra Nagaraja博士

QpiAI創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官

02光電子技術(shù)：分散式數(shù)據(jù)中心的光學(xué)高速線路

目前，數(shù)據(jù)中心架構(gòu)正轉(zhuǎn)向分散式設(shè)計(jì)，將存儲(chǔ)、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)等同質(zhì)資源分別置于不同模塊，并以光學(xué)方式進(jìn)行連接。這種架構(gòu)不會(huì)造成資源浪費(fèi)，中央智能單元負(fù)責(zé)確定并從每個(gè)模塊獲取所需的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)光互連傳輸數(shù)據(jù)，而其余資源可用于處理其他工作負(fù)載。

除機(jī)架、房間和建筑間的配置外，光互連還有望成為CPU和GPU級(jí)別的主要連接方式，并通過(guò)光信號(hào)處理數(shù)據(jù)I/O。人們希望能夠以高帶寬光連接取代許多并行和高速串行電氣I/O通道，這推升了對(duì)近封裝光學(xué)器件和共封裝光學(xué)器件的需求。其中，近封裝光學(xué)器件在主控板上使用高性能PCB基板（中介層），而共封裝光學(xué)器件則將電芯片和光芯片集成在單個(gè)封裝中。雖然光電子技術(shù)在短期內(nèi)不太可能完全取代傳統(tǒng)的電子半導(dǎo)體組件，但其顯然能夠有效滿足帶寬和延遲要求。同時(shí)，人們正在研究模擬和數(shù)字計(jì)算在光學(xué)領(lǐng)域中的價(jià)值。

03光電子技術(shù)：利用光速突破帶寬壁壘

Future Market Insights的數(shù)據(jù)顯示，2022年至2032年，PIC市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率將達(dá)到21.5%。顯然，憑借高速數(shù)據(jù)傳輸和低能耗特性，PIC開(kāi)辟了一條新途徑，能夠幫助開(kāi)發(fā)者突破帶寬障礙并盡可能降低能耗。

一些公司積極開(kāi)發(fā)新技術(shù)以滿足帶寬需求并降低環(huán)境影響，走在行業(yè)發(fā)展前沿，比如推出了光電子AI計(jì)算平臺(tái)的LightMatter和開(kāi)發(fā)了光互連小芯片的Ayar Labs。此外，還有一些公司正在設(shè)計(jì)使用光子而非電子作為算法核心的模擬和數(shù)字計(jì)算解決方案。光電子技術(shù)領(lǐng)域正在迎來(lái)持續(xù)的創(chuàng)新發(fā)展。

然而，PIC設(shè)計(jì)并不像傳統(tǒng)IC設(shè)計(jì)那樣簡(jiǎn)單直接，其電路的性能同材料和光學(xué)特性密切相關(guān)，而光學(xué)特性又與幾何形狀有關(guān)。要想取得成功，需要了解最新的研究成果、工具和技術(shù)，并熟練掌握量子光學(xué)和物理光學(xué)的相關(guān)知識(shí)。

新思科技是業(yè)界唯一提供光電子器件、系統(tǒng)和IC無(wú)縫設(shè)計(jì)流程的公司，助力開(kāi)發(fā)者成功完成光電子設(shè)計(jì)。新思科技還與各大代工廠密切合作，攜手推出簡(jiǎn)化PIC開(kāi)發(fā)的工藝設(shè)計(jì)套件（PDK），同時(shí)與政府組織合作開(kāi)展光電子技術(shù)教育項(xiàng)目。新思科技大力投資技術(shù)，與瞻博網(wǎng)絡(luò)合資成立OpenLight，推出全球首個(gè)集成激光器的開(kāi)放式硅光子平臺(tái)。

從ChatGPT到物聯(lián)網(wǎng)，高帶寬應(yīng)用催生了對(duì)更高數(shù)據(jù)傳輸速度的需求。基于光電子技術(shù)的芯片應(yīng)運(yùn)而生，利用光的速度提供更高的帶寬、更低的延遲和更低的功耗。隨著光子IC的持續(xù)發(fā)展，電子行業(yè)必將迎接光明的未來(lái)。

審核編輯：湯梓紅