半導體行業(yè)關于高性能微處理器和相關集成電路的領先會議之一Hot Chip 32近期落下帷幕, 脫胎于麻省理工學院(MIT)的人工智能加速開發(fā)光學計算處理器的子公司Lightmatter展示了一款測試芯片。

據悉,這款處理器芯片使用了硅光子學和MEMS技術,以光的速度(硅)執(zhí)行矩陣向量乘法,由毫瓦激光光源供電。其計算速度比晶體管芯片(包括最新的GPU)要快幾個數量級,而且耗電量非常小。

幾十年前就有研究人員嘗試將光學應用在計算領域,但是一直沒有找到合適的落地場景。

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

未來計算呼喚更高性能硬件

Lightmatter表示將在2021年秋季推出其首個商用產品,一款帶有光學計算芯片的PCIe卡,專用于數據中心AI推理工作。

資料顯示,Lightmatter是一家計算機硬件公司,致力于使用集成的光子學技術來制造更快、更高效的處理器。這家公司的重點研究領域是使用傳統計算機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,來加速深度神經網絡中的關鍵操作。

談到深度神經網絡就不得不提谷歌,谷歌開源軟件平臺TensorFlow就可用于深度神經網絡模型的訓練和推理算法,而Lightmatter也在2019年從谷歌母公司Alphabet旗下的風險投資部門GV處獲得了一筆投資。這似乎說明,谷歌正在從硬件層面尋求人工智能技術的突破口。

研究光子芯片一是為AI時代提供更高性能的硬件,另一方面則是為了應對摩爾定律失效的可能。未來,人類可能無法再依靠過去晶體管堆疊的方式來提升計算機的性能,光子芯片被認為是未來的主要發(fā)展方向之一。

在這樣的技術發(fā)展背景下,國內外光子芯片研發(fā)團隊開始嶄露頭角。國內光子芯片創(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)于麻省理工學院物理系,博士在讀期間專攻納米光學技術。2017年,沈亦晨以第一作者身份在《自然-光子》雜志上發(fā)表了一篇針對可程序設計納米光子處理器的論文。2018年,曦智科技創(chuàng)立,獲得百度風投與真格基金的1000萬美元投資。

資本加持下,沈亦晨帶領團隊于2019年4月推出全球首個光子AI 芯片原型。公開資料顯示,曦智科技研究團隊在這個原型產品上成功用光子芯片運行了Google Tensorflow自帶的卷積神經網絡模型來處理MNIST數據集。這個模型是一個使用計算機視覺識別手寫數字的基準機器學習模型,也是機器學習中最著名的基準數據集之一。

曦智科技表示,測試中整個模型超過95%的運算是在光子芯片上完成的處理,測試結果顯示,光子芯片處理的準確率已經接近電子芯片(97%以上),另外光子芯片完成矩陣乘法所用的時間是最先進的電子芯片的1/100以內。

在國內為數不多的創(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,逐漸進入到公眾視野。

光子芯片商業(yè)化蓄勢待發(fā)

今年,曦智科技已完成由經緯中國和中金資本旗下中金硅谷基金領投的2600萬美元A輪融資,以及和利資本等機構的數千萬美元A+輪融資。

沈亦晨認為,基于光子芯片速度快、損耗少、算力高、成本低的這些特點,很多面臨性能瓶頸的深度學習場景將是其大展身手的方向。他表示,曦智科技在未來3年內將致力于布局與打造包含芯片設計、核心算法、傳輸等在內的完整光子計算生態(tài)。

可以看出,光子芯片距離在國內正式商用越來越近了。

業(yè)內專家告訴記者,數據中心服務器或許可以成為光子芯片最早的市場切入點。

新基建浪潮下,數據中心作為重要新型基礎設施,成為了百度、騰訊、阿里等科技巨頭爭相搶占的數字高地。數字經濟已經成為推動我國經濟高質量發(fā)展的主旋律,全國各地、各行業(yè)企業(yè)都在數字化轉型的道路上積極探索,無論是硬件還是軟件,都在走向AI化,這意味著數據量的增加和對算力的更高要求。

隨之帶來的是數據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了極佳的應用機會。

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)相關負責人坦言,公司想要吸收更多技術人員,但是光子芯片是新興領域,目前國內對口人才屈指可數,了解的人并不多。

若走到實際應用階段,又該如何快速打開市場呢?該負責人對記者表示,這是個既復雜又簡單的問題:簡單在即插即用,公司可以提供端到端的解決方案,產品可以直接插到服務器里,實現性能加成;復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)團隊在芯片設計和軟件架設上進行大量溝通。

光子芯片或成產業(yè)引路石

業(yè)內專家指出,光子芯片雖然優(yōu)勢明顯,但也有不能觸及之地,比如在存儲上,光子芯片在短期內是無法代替電子芯片的。不過從長期看,光子技術不斷迭代而且發(fā)展遠快于傳統數字芯片,未來大面積替代電子芯片的可能性很高。

由于外部壓力加上關鍵技術短缺,我國集成電路產業(yè)正在艱難前行。從產業(yè)角度來說,我國在光子芯片研發(fā)速度上有望趕超國際,因此推動國內光子芯片研發(fā)或許是為我國集成電路產業(yè)鏈紓困的關鍵一步。除了創(chuàng)業(yè)企業(yè)以外,北京大學、南京大學等國內高校團隊也在不遺余力地在光子芯片技術研究領域添磚加瓦。

目前中國在光子芯片領域已經取得了突破性的進展,在業(yè)內企業(yè)和科研團隊的帶領下,我國集成電路產業(yè)或將在不久的將來迎來一次重要突破。