光子計算芯片最新突破，峰值算力超1000tops，比電芯片更適合大模型

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/李彎彎）近日，國內(nèi)光計算芯片公司光本位科技宣布，公司已完成算力密度和算力精度均達到商用標(biāo)準(zhǔn)的光計算芯片流片。這顆芯片的矩陣規(guī)模為128×128，峰值算力超過1000tops，這意味著它的算力密度已經(jīng)超過了先進制程的電芯片。

據(jù)光本位科技介紹，矩陣規(guī)模（算力密度）和單節(jié)點光辨識度（算力精度）是衡量光計算芯片性能的關(guān)鍵指標(biāo)，業(yè)內(nèi)公認的達到商用標(biāo)準(zhǔn)的矩陣規(guī)模是128x128，2021年全球范圍內(nèi)有兩家企業(yè)完成了64x64的光計算芯片流片，此后三年內(nèi)這個瓶頸一直沒有被突破。

光子計算芯片的技術(shù)突破

光本位成立于2022年，公司主要專注于研發(fā)和生產(chǎn)光計算芯片和光計算板卡，用于對AI算力需求較大的場景，如大模型推理及訓(xùn)練、自動駕駛、智慧城市、量化金融、AI安防等。

光本位稱，這顆芯片采用PCIe接口或其他通用標(biāo)準(zhǔn)進行數(shù)據(jù)交互，可以與數(shù)據(jù)中心兼容，未來光計算芯片的算力密度仍有百倍提升空間，比電芯片更適合處理大模型應(yīng)用，達到商用標(biāo)準(zhǔn)可以說是中國AI芯片“換道超車”的關(guān)鍵一步。

光計算芯片在算力、數(shù)據(jù)傳輸上具有優(yōu)勢，但要實現(xiàn)規(guī)?；逃?，還需要解決非線性計算、存算一體等難題，構(gòu)建光電融合生態(tài)是一條必經(jīng)之路。

光本位科技基于PCM相變材料實現(xiàn)了存算一體的存內(nèi)計算，存儲單元與計算單元完全融合，目前已迭代出以光計算芯片為核心的電芯片設(shè)計能力，并與國內(nèi)芯片封裝公司建立深度戰(zhàn)略合作，共同開發(fā)先進光電合封能力。

同時，光本位科技正在進行矩陣規(guī)模128×128光計算板卡調(diào)試，預(yù)計將于2025年推出商業(yè)化光計算板卡產(chǎn)品，用更高的能效比、更大的算力賦能大模型、AI算力硬件、智算中心等產(chǎn)業(yè)。而且，公司還即將完成更大矩陣規(guī)模的光計算芯片研發(fā)。

光子計算最初起源于20世紀(jì)早期，那時候，科學(xué)家們就開始嘗試使用光子進行信息傳輸和處理，但由于當(dāng)時技術(shù)限制和理論困難，光子計算的概念一度被擱置。

到20世紀(jì)后期，隨著光子學(xué)、量子力學(xué)和計算科學(xué)的不斷進步，光子計算重新受到研究者的關(guān)注。1970年代，美國物理學(xué)家Richard Feynman首次提出了光子計算的概念，指出傳統(tǒng)計算模式所面臨的瓶頸可以通過利用光子的特性來克服。

進入21世紀(jì)，光子計算芯片技術(shù)得到快速發(fā)展。隨著材料科學(xué)、納米技術(shù)和集成光學(xué)的進步，光子計算芯片的性能不斷提升，功耗不斷降低。開始在一些特定領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢，如高速數(shù)據(jù)處理、低功耗計算和復(fù)雜場景下的圖像處理等。

光子計算芯片相比電子芯片的優(yōu)勢

光子計算芯片的工作原理是基于光子學(xué)原理，即利用光的波動性和粒子性來傳輸和處理信息。其核心在于光波導(dǎo)，這是一種能夠利用光的全反射現(xiàn)象將光線引導(dǎo)在芯片內(nèi)部傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)。光在光波導(dǎo)中的傳輸速度快、衰減小、抗干擾性強，從而實現(xiàn)了高速、遠距離的信息傳輸。

相比于傳統(tǒng)電子芯片，光子計算芯片具有多方面的優(yōu)勢。速度方面，光信號以光速傳輸，使得光子計算芯片在數(shù)據(jù)處理速度上遠超傳統(tǒng)電子芯片。具體來說，光子芯片的計算速度比傳統(tǒng)電子處理器快約1000倍，這一速度優(yōu)勢在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)和復(fù)雜計算任務(wù)時尤為明顯。

光子芯片在數(shù)據(jù)傳輸和處理過程中具有極低的延遲，這對于需要高速響應(yīng)的應(yīng)用場景至關(guān)重要。例如，在芯片尺寸的厘米尺度上，光子芯片的延遲時間是納秒級，且這一延遲與矩陣的尺寸幾乎無關(guān)，在尺寸較大的情況下，光子矩陣計算的延遲優(yōu)勢更加明顯。

能耗方面，光子芯片在能耗方面具有顯著優(yōu)勢，其功耗遠低于傳統(tǒng)電子芯片。光計算功耗有望低至每比特10—18焦耳(10—18J/bit)，相同功耗下，光子器件比電子器件快數(shù)百倍。這種低功耗特性使得光子芯片在能源效率和散熱方面表現(xiàn)出色，有助于降低整體系統(tǒng)的運行成本。

此外，光子芯片具有極高的帶寬和通信容量，能夠滿足未來高帶寬、低延遲的通信需求。例如，集成鈮酸鋰微波光子芯片具有67吉赫茲的超寬處理帶寬，能夠支持高速數(shù)據(jù)傳輸和復(fù)雜信號處理。

光子芯片還具有很強的抗干擾能力，光波的電磁特性比電流的電磁特性弱得多，因此光子芯片具有更強的抗電磁干擾能力和更高的信噪比。這一特性使得光子芯片在復(fù)雜電磁環(huán)境下能夠更穩(wěn)定地進行數(shù)據(jù)傳輸和處理，保證信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?br />
而且，光子芯片計算精度更高、并行能力更強、制造成本相對較低。在制造方面，光子芯片不會像電子芯片那樣必須使用極高端的光刻機等設(shè)備，使用我國已經(jīng)相對成熟的原材料和設(shè)備就能生產(chǎn)，這有助于降低制造成本。

憑借諸多優(yōu)勢，光子計算芯片被認為是未來計算技術(shù)的重要發(fā)展方向。除了光本位科技，目前也有一些公司在這方面持續(xù)研發(fā)，如曦智科技、Lightmatter。

曦智科技是一家由麻省理工學(xué)院（MIT）團隊背景的光子AI芯片公司，成立以來致力于將光子計算技術(shù)應(yīng)用于AI領(lǐng)域。曦智科技成立后不久即宣布成功開發(fā)出世界第一款光子芯片原型板卡，驗證了團隊在2017年發(fā)表在Nature Photonics期刊上的開創(chuàng)性想法。

該原型芯片在光學(xué)裝置上集成了超過12000個電路，運行頻率為1GHz，能夠高效運行Google Tensorflow自帶的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來處理MNIST數(shù)據(jù)集，準(zhǔn)確率接近電子芯片水平，且完成矩陣乘法的時間僅為電子芯片的1/100以內(nèi)。

2021年12月15日，曦智科技發(fā)布了其最新高性能光子計算處理器PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計算引擎）。PACE包含64x64的光學(xué)矩陣，單個光子芯片中集成超過10,000個光子器件，運行1GHz系統(tǒng)時鐘。在特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，其速度可達目前高端GPU的數(shù)百倍。

PACE成功驗證了光子計算的優(yōu)越性，尤其在處理Ising模型等復(fù)雜數(shù)學(xué)問題時，性能遠超傳統(tǒng)GPU，為AI、5G、物聯(lián)網(wǎng)等新興領(lǐng)域提供了強大的算力支持。

Lightmatter成立于2017年9月8日，總部位于美國馬薩諸塞州波士頓，并在硅谷設(shè)有分部。公司定位是光子計算公司，致力于通過計算加速人類進步。

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

寫在最后

當(dāng)然，光子計算芯片在研發(fā)過程中仍面臨許多技術(shù)難題，如如何精準(zhǔn)控制光子的運動、如何提高光子的計算效率、如何降低光子的損耗等。不過可以看到，面臨的難題正在逐步突破。相信隨著技術(shù)的不斷進步，光子計算芯片有望成為未來高速、大數(shù)據(jù)量、人工智能計算處理等最具前景的方案之一。