解析光子芯片的優(yōu)勢與應(yīng)用

光子算數(shù)工程師在超凈實驗室測試光子人工智能芯片。

光子人工智能芯片。光子芯片的計算速度為電子芯片的1000倍，但功耗僅為其百分之一。

算力是傳統(tǒng)電子人工智能芯片的1000倍，但功耗只有其百分之一，低延遲還抗電磁干擾，由清華、北大、北交大等高校博士生創(chuàng)業(yè)研發(fā)的光子人工智能芯片，在技術(shù)上實現(xiàn)不少突破，未來可廣泛應(yīng)用于手機、自動駕駛、智能機器人、無人機等領(lǐng)域。近日，該光子人工智能芯片項目落戶順義，將這項新技術(shù)推向了臺前。

“芯片的設(shè)計、加工、封裝、測試全部在國內(nèi)完成，擺脫了對國外高制程***的依賴，是我國在芯片領(lǐng)域換道超車的核心技術(shù)?！毖芯繄F隊負責(zé)人白冰說。

具高速率、低功耗優(yōu)勢

落地順義的光子人工智能芯片出自一個由清華、北大、北交大等多所高校的在校博士生組成的創(chuàng)業(yè)團隊，該團隊是全國第一個，也是全球第二個光子人工智能芯片研究團隊。

團隊負責(zé)人、光子芯片的研發(fā)者之一——白冰，目前正在北京交通大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)攻讀博士學(xué)位。作為國內(nèi)第一個研究光子計算的團隊，白冰介紹，光子芯片具有低延遲、抗電磁干擾等優(yōu)勢，計算能力是傳統(tǒng)芯片的三個數(shù)量級，功耗卻只有傳統(tǒng)芯片的百分之一。

全流程可在國內(nèi)完成

對于光子人工智能芯片發(fā)展的意義，白冰說，國內(nèi)電子芯片設(shè)計領(lǐng)域能力很強，但在核心加工環(huán)節(jié)有一個很強的技術(shù)壁壘，需依賴國外的高制程***，在成本等多個方面都會受限。光子人工智能芯片的生產(chǎn)過程自主可控，全流程可在國內(nèi)完成，采用國內(nèi)130nm微電子工藝加工完成，擺脫了對于國外高制程***的依賴，無需在工藝制程上進行追趕。

“芯片的設(shè)計、加工、封裝、測試全部在國內(nèi)完成，擺脫了對國外高制程***的依賴，所以說是我國在芯片領(lǐng)域換道超車的核心技術(shù)。”白冰說。

白冰表示，未來芯片主要還是針對人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。目前光子人工智能芯片的產(chǎn)品部署主要集中于設(shè)備端，預(yù)計于2022年將光子芯片運用到云端。

記者了解到，第三代半導(dǎo)體是北京市高精尖產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容，也是順義確定發(fā)展的三大創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)集群之一。當(dāng)前，順義正布局全產(chǎn)業(yè)鏈，7.1萬平方米的第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地已于去年12月竣工。目前，中關(guān)村科技園區(qū)順義園管理委員會已與其團隊簽約，項目正式落戶順義。

據(jù)介紹，上海也已開始光子芯片的布局，計劃到2021年建成全國硅光子芯片研發(fā)和中試基地，到2025年量產(chǎn)平臺實現(xiàn)芯片批量供貨，成為國際知名硅光子的研發(fā)、制造基地。

釋疑1 什么是光子人工智能芯片？

白冰介紹，光子人工智能芯片是指采用硅基光子集成技術(shù)，讓光提供算力，為人工智能應(yīng)用提供高性能的硬件支持。第一個層面是“人工智能芯片”。如果一個芯片要跑得非?？臁⒎浅Ｊ‰姡欢ㄊ切酒奈锢斫Y(jié)構(gòu)跟軟件高度匹配，這樣才能達到一個比較高的效率。包括現(xiàn)在的人臉識別、自動駕駛、安防監(jiān)控、AI金融、AI醫(yī)療等，實際上都是一種人工智能算法，要設(shè)計一款芯片結(jié)構(gòu)跟其特征匹配，這就是人工智能芯片。

第二個層面是“光子”。已有的人工智能芯片都是電子芯片，電子芯片在計算速度和功耗方面會有瓶頸。光子人工智能芯片是依托硅基光子集成技術(shù)，在內(nèi)部用光完成矩陣運算與數(shù)據(jù)交換。它的計算過程與人工智能算法高度匹配，計算速度比普通電子芯片高，功耗比電子芯片低。

中科院上海微系統(tǒng)所所長助理、上海新微科技集團總裁秦曦曾介紹，集成電路的發(fā)展沿著摩爾定律已趨于極限，硅光子技術(shù)是超越摩爾研究領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。通過硅光集成，用光代替原來的電進行傳輸，成本有可能降低到原來的十分之一，甚至更低。

釋疑2 與傳統(tǒng)芯片比有哪些優(yōu)勢？

白冰解釋，主要有兩方面優(yōu)勢。一個優(yōu)勢是計算速度，光子人工智能芯片的計算速度大概是電子芯片的三個數(shù)量級，約1000倍，單個電子芯片的計算速度大約是7.8TFlops，而光子人工智能芯片的計算速度大概是3200TFlops。第二個優(yōu)勢是功耗，光子人工智能芯片的功耗僅為電子芯片的百分之一，單位電子芯片和耗電量大概300W，對應(yīng)的光子人工智能芯片的耗電量只有4W。

對比不同芯片在同一情境下是否具有優(yōu)勢，要考慮性能功耗比、單位美元提供算力兩方面。性能功耗比是指消耗單位瓦特提供的性能，重在強調(diào)涉及多少電費，單位美元提供算力則重在強調(diào)芯片的生產(chǎn)成本。在這兩方面，光子人工智能芯片比電子芯片更有優(yōu)勢。

釋疑3 未來主要應(yīng)用在哪些方面？

白冰表示，光子人工智能芯片可廣泛用于手機、安防監(jiān)控、自動駕駛、服務(wù)機器人、無人機、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵人工智能領(lǐng)域。比如在分揀機器人機械臂上裝上攝像頭，讓它識別有什么東西，控制它去抓取等。

據(jù)其介紹，光子人工智能芯片的發(fā)展得益于人工智能的發(fā)展。光學(xué)計算芯片其實在實驗室一直存在，但它一直沒有比較好的應(yīng)用場景，沒有辦法落地應(yīng)用。近年來伴隨著人工智能的興起，人工智能的算法特征恰好跟光學(xué)芯片物理性能匹配，這使得光學(xué)計算有了走出實驗室、走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的機會，就是這樣一個過程。

中科院“百人計劃”專家、上海微系統(tǒng)所研究員余明斌回國后也一直致力于硅光工藝平臺的建設(shè)。他認為，這是一個可能引發(fā)巨大產(chǎn)業(yè)新空間的前瞻性技術(shù)。