據(jù)新華社報(bào)道，近日，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首創(chuàng)了一種干涉—衍射分布式廣度光計(jì)算架構(gòu)，并研制出高算力、高能效的智能光計(jì)算芯片，可實(shí)現(xiàn)每秒每焦耳160萬億次運(yùn)算的通用智能計(jì)算，為大模型通用智能計(jì)算探索了新路徑。該研究于12日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》。

清華大學(xué)電子工程系方璐課題組、信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長戴瓊海院士課題組，摒棄了傳統(tǒng)電子深度計(jì)算范式，構(gòu)建了智能光計(jì)算的通用傳播模型，首創(chuàng)了名為Taichi（意為“太極”）的干涉—衍射分布式廣度光計(jì)算架構(gòu)?；诖藙?chuàng)新架構(gòu)，課題組進(jìn)一步探索干涉光與衍射光的優(yōu)勢(shì)特性，又研制出干涉—衍射異構(gòu)集成智能光計(jì)算芯片。

報(bào)道引述論文第一作者、清華大學(xué)電子系博士生徐智昊介紹，與國際上高性能人工智能芯片相比，“太極”芯片的系統(tǒng)整體能量效率提升了3個(gè)數(shù)量級(jí)，可將復(fù)雜智能任務(wù)拆分為多通道高并行的子任務(wù)，賦能光計(jì)算實(shí)現(xiàn)自然場景千類對(duì)象識(shí)別、跨模態(tài)內(nèi)容生成等人工智能復(fù)雜任務(wù)。

此外，目前該團(tuán)隊(duì)正與相關(guān)機(jī)構(gòu)洽談，建設(shè)算力實(shí)驗(yàn)室，以期用智能光計(jì)算芯片支撐大模型訓(xùn)練與推理、通用人工智能等人工智能研究與應(yīng)用。


清華光芯片將重塑AI計(jì)算邊界？

這款芯片采用了一種全新的光電路設(shè)計(jì)，可以高效利用光子進(jìn)行運(yùn)算，從而突破了傳統(tǒng)電子芯片在算力和能效上的bottleneck。

咱們先來看看這款芯片的一些核心亮點(diǎn)。首先它的峰值能效高達(dá)160 TOPSW，目前是最高能效的人工智能芯片之一。它使用硅基光子集成電路工藝制造，已經(jīng)推出了原型芯片并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。它采用了創(chuàng)新的＂太極＂光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和光電復(fù)用電路設(shè)計(jì)，可以在芯片上同時(shí)傳輸電信號(hào)和光信號(hào)，從而大幅提高了集成度，減小了芯片面積。

這玩意兒是清華大學(xué)的一幫高手研發(fā)出來的，采用了一種全新的＂太極＂光電路設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的電子芯片用的是電流傳輸信號(hào)，但電流在高速運(yùn)算時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多熱量，導(dǎo)致能耗太高。而光芯片則是利用光子來傳輸信號(hào)，光子在傳輸過程中基本不會(huì)產(chǎn)生熱量，所以能效特別高。

這款＂太極＂光芯片的峰值能效高達(dá)160 TOPSW，可以說是目前最高能效的AI芯片了。它的核心創(chuàng)新就在于那個(gè)＂太極＂光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以讓光在芯片上高效傳輸和轉(zhuǎn)彎，從而大幅減小芯片面積。

另外，它還設(shè)計(jì)了一種光電復(fù)用電路，可以在同一個(gè)芯片上同時(shí)傳輸電信號(hào)和光信號(hào)，提高了集成度。你想啊，把光路和電路集成到一起，那運(yùn)算速度和帶寬就更高了。

總之嘛，這款芯片的優(yōu)勢(shì)主要有三個(gè):高能效、高集成、高帶寬。對(duì)于未來的人工智能算法，尤其是要在邊緣設(shè)備上運(yùn)行的，這些優(yōu)勢(shì)可都是硬核亮點(diǎn)??！

咱們繼續(xù)聊聊這款＂太極＂光芯片的關(guān)鍵性能。

首先就是它的能效表現(xiàn)了，160 TOPSW的峰值能效水平可以說是領(lǐng)跑同行了。要知道，對(duì)于AI算法來說，能效就是硬指標(biāo)，能效越高，運(yùn)算成本就越低，對(duì)設(shè)備的發(fā)熱和功耗影響就越小。

這款芯片采用的是硅基光子集成電路工藝，也就是說它的制造工藝和傳統(tǒng)電子芯片是一致的，這就意味著未來有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn)，成本會(huì)更加可控。

研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)利用該工藝流程制造出了原型芯片，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性。所以說，這款芯片已經(jīng)不是紙上談兵，而是有了實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)品雛形。


光芯片與AI:強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)手突破算力瓶頸

光芯片最吸引人的地方，在于它與AI技術(shù)的天然契合度。AI算法對(duì)算力的需求，正是光芯片所擅長的領(lǐng)域。

具體來說，光芯片可以充當(dāng)AI系統(tǒng)的加速器，大幅提升AI算法的運(yùn)算速度。例如，在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，光芯片可以加速卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等運(yùn)算密集型操作，使訓(xùn)練時(shí)間大幅縮短。

光芯片與AI的結(jié)合還可以降低功耗，提高能源利用效率。AI系統(tǒng)通常需要大量的計(jì)算資源，能耗問題一直是個(gè)痛點(diǎn)。而低功耗正是光芯片的優(yōu)勢(shì)所在，兩者的結(jié)合可以有效緩解這一矛盾。

未來的AI系統(tǒng)將會(huì)充分利用光芯片的優(yōu)勢(shì)，通過光電混合集成等技術(shù)，將光芯片與電子芯片緊密融合，發(fā)揮兩者的協(xié)同作用，從而突破當(dāng)前的算力瓶頸，推動(dòng)AI技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。


光芯片成果不斷，落地緩慢？

光芯片看起來是很不錯(cuò)的技術(shù)路徑，但到底多久才能落地？

經(jīng)緯創(chuàng)投認(rèn)為，光芯片商業(yè)化有兩大路徑：第一種思路是短期內(nèi)不尋求完全替代電，不改動(dòng)基礎(chǔ)架構(gòu)，最大化地強(qiáng)調(diào)通用性，形成光電混合的新型算力網(wǎng)絡(luò)；另一種思路是把光芯片模塊化，不僅僅追求在計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用，還追求在片上、片間的傳輸領(lǐng)域應(yīng)用，追求光模塊的“即插即用”。

硅光芯片不是靠尖端制程來獲勝，更多是靠速度和功耗，比如光的調(diào)制解調(diào)的速度、功耗，還有多波復(fù)用，在一個(gè)波導(dǎo)里面同時(shí)能通過多少路光等。

可以理解為，光芯片最大的優(yōu)勢(shì)在于技術(shù)通用性。

這也不難理解，因?yàn)闊o論是生產(chǎn)商還是客戶，最大的訴求之一就是要確保通用性。產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)“開箱即用”才能夠最大限度降低學(xué)習(xí)成本，不需要對(duì)現(xiàn)在的底層框架進(jìn)行過多修改，就能夠適配到成千上萬個(gè)應(yīng)用場景中。所以不動(dòng)基礎(chǔ)架構(gòu)，而是把線性計(jì)算的計(jì)算核部分用光來部分替代，形成光電混合的算力網(wǎng)絡(luò)新形式，是最快的商業(yè)化路徑。

另一方面，全球光計(jì)算芯片競賽，各國和地區(qū)相繼出臺(tái)政策推動(dòng)發(fā)展。

美國國防部高級(jí)研究計(jì)劃局(DARPA) 早在2019年就啟動(dòng)“未來計(jì)算系統(tǒng)”項(xiàng)目，以研究具備深度學(xué)習(xí)能力、高算力和低功耗的集成光子芯片。

歐盟在2020開始啟動(dòng)PHOOUSING項(xiàng)目，致力于開發(fā)基于集成光子技術(shù)的將經(jīng)典過程和量子過程結(jié)合起來的混合計(jì)算系統(tǒng)。

我國科技部“十四五”重點(diǎn)專項(xiàng)申報(bào)指南中，也將信息光子技術(shù)、高性能計(jì)算、物態(tài)調(diào)控、光電混合AI加速計(jì)算芯片列為重要內(nèi)容，其中包括光電混合AI加速計(jì)算芯片、量子計(jì)算、基于固態(tài)微腔光電子芯片、光學(xué)神經(jīng)擬態(tài)計(jì)算系統(tǒng)等技術(shù)的研發(fā)。

能看到，如何為智能時(shí)代提供更強(qiáng)大算力，許多國家已在思考下一波的發(fā)展浪潮，光計(jì)算正是頗具潛力的選項(xiàng)之一。

潛力之下，光芯片挑戰(zhàn)尚在

雖然提到了很多優(yōu)勢(shì)，但光芯片作為一項(xiàng)前沿技術(shù)，必然有很多挑戰(zhàn)有待克服。

工藝挑戰(zhàn)：由于要用于復(fù)雜計(jì)算，光器件的數(shù)量必然會(huì)很多，要達(dá)到不錯(cuò)的性能至少需要上萬個(gè)，這會(huì)帶來更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和更大的尺寸。為了實(shí)現(xiàn)可編程，必然要對(duì)每個(gè)器件進(jìn)行控制，也會(huì)要求高集成度和一些Knowhow積累。這些要求會(huì)產(chǎn)生一些工藝上的挑戰(zhàn)，同時(shí)導(dǎo)致成本很高，以及整體穩(wěn)定性、生產(chǎn)良率都有挑戰(zhàn)，所以必須找到一種低成本、高良率的方法，來控制大量光器件的技術(shù)。

溫度難題：因?yàn)槭悄M計(jì)算，當(dāng)整個(gè)環(huán)境溫度對(duì)電芯片產(chǎn)生影響的時(shí)候，對(duì)光信號(hào)也會(huì)產(chǎn)生擾動(dòng)，影響計(jì)算精度。有一種辦法是把整個(gè)芯片放在恒溫環(huán)境下，通過溫控電路來實(shí)現(xiàn)。但這反過來會(huì)犧牲一些光計(jì)算的低能耗優(yōu)勢(shì)。此外，對(duì)于溫度控制，還包括芯片內(nèi)部發(fā)熱，導(dǎo)致對(duì)周邊器件的影響問題。

產(chǎn)業(yè)鏈未形成成熟分工：光芯片技術(shù)門檻高、產(chǎn)品線難以標(biāo)準(zhǔn)化，生產(chǎn)各工藝綜合性更強(qiáng)，相比于大規(guī)模集成電路已形成高度的產(chǎn)業(yè)鏈分工，光芯片產(chǎn)業(yè)鏈行業(yè)尚未形成成熟的設(shè)計(jì)-代工-封測(cè)產(chǎn)業(yè)鏈。

新藍(lán)海市場亟待開拓：光芯片下游大客戶為主，可靠性與交付能力是重要競爭力；光芯片產(chǎn)業(yè)參與者眾多，中低端領(lǐng)域競爭激烈，高端市場仍是藍(lán)海。在算力基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)海量增長的背景下，光芯片將會(huì)迎來巨大的機(jī)會(huì)。

對(duì)于我國光芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展路徑，有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為或?qū)⒔?jīng)歷兩個(gè)階段：

1）在細(xì)分領(lǐng)域憑借自身技術(shù)實(shí)力，綁定優(yōu)質(zhì)客戶實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代；

2）產(chǎn)品品類橫向擴(kuò)張，打開遠(yuǎn)期成長天花板。

由于光芯片行業(yè)具備細(xì)分品類較多等特點(diǎn)，中短期內(nèi)看好在細(xì)分領(lǐng)域中具備深厚技術(shù)積累，且已綁定優(yōu)質(zhì)客戶的國產(chǎn)廠商，有望率先開啟進(jìn)口替代步伐，占據(jù)先發(fā)優(yōu)勢(shì)；長期來看，具備較強(qiáng)橫向擴(kuò)張能力的光芯片企業(yè)更具備競爭優(yōu)勢(shì)。