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          人工智能時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施 面對(duì)集成度物理極限光子芯片如何另辟蹊徑

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          日期:2021-04-22 15:54:20    來(lái)源:科技日?qǐng)?bào)    

          幾十年來(lái),英特爾聯(lián)合創(chuàng)始人戈登·摩爾在1965年提出的摩爾定律,不僅成為計(jì)算機(jī)處理器的制造準(zhǔn)則,某種程度上也被看作科技行業(yè)的前進(jìn)預(yù)言。

          然而,自從1958年仙童半導(dǎo)體公司發(fā)明集成電路后,以硅為基礎(chǔ)的電子芯片已經(jīng)發(fā)展了幾十年。

          如今,電子芯片的承載能力已經(jīng)逼近了物理理論的極限。

          光子芯片的出現(xiàn),被看作突破摩爾定律的有效途徑之一。

          相比電子芯片有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)

          “光子芯片簡(jiǎn)單說(shuō)就是利用光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示的芯片。”中科創(chuàng)星董事總經(jīng)理張思申向科技日?qǐng)?bào)記者解釋,相對(duì)于電子驅(qū)動(dòng)的集成電路,光子芯片的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)十分明顯。未來(lái),無(wú)論是互聯(lián)網(wǎng)、5G還是物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域,在基礎(chǔ)設(shè)施方面都離不開(kāi)光纖和光學(xué)器件。

          據(jù)張思申介紹,相比傳統(tǒng)的電子芯片,光子芯片有很多優(yōu)勢(shì),主要表現(xiàn)為高速率和低功耗。光信號(hào)以光速傳輸,速度得到巨大提升;理想狀態(tài)下,光子芯片的計(jì)算速度比電子芯片快約1000倍。光子計(jì)算消耗能量少,光計(jì)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。

          另外,光具有天然的并行處理能力以及成熟的波分復(fù)用技術(shù),從而使光子芯片的數(shù)據(jù)處理能力、容量及帶寬均大幅度提升;光波的頻率、波長(zhǎng)、偏振態(tài)和相位等信息可以代表不同的數(shù)據(jù),且光路在交叉?zhèn)鬏敃r(shí)互不干擾。這些特性使得光子擅長(zhǎng)做并行運(yùn)算,與多數(shù)計(jì)算過(guò)程花在“矩陣乘法”上的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相契合。

          “總體而言,光子芯片具有高計(jì)算速度、低功耗、低時(shí)延等特點(diǎn),且不易受到溫度、電磁場(chǎng)和噪聲變化的影響。”張思申說(shuō),光子芯片可以采用硅基半導(dǎo)體工藝來(lái)制造,形成光波導(dǎo)等無(wú)源器件。并且不追求工藝尺寸的極限縮小,突破了工藝的限制,有更多的性能提升空間。此外,光子芯片提供了全新的芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)思路,徹底顛覆原有的設(shè)計(jì)理念,有更多的設(shè)計(jì)創(chuàng)意空間。光子芯片可以與三五族化合物半導(dǎo)體形成的發(fā)光器件封裝在一起來(lái)實(shí)現(xiàn)光電集成。未來(lái)將過(guò)渡到異質(zhì)集成,實(shí)現(xiàn)真正的光電集成芯片。

          人工智能時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施

          張思申表示,光子計(jì)算芯片通常由一個(gè)電子芯片部分和光子傳輸部分來(lái)組成,電子芯片負(fù)責(zé)邏輯運(yùn)算,讀取傳輸由光波導(dǎo)來(lái)實(shí)現(xiàn)。而在未來(lái)的光計(jì)算系統(tǒng)中,可以把光子芯片理解為電子芯片的“高速公路”,它幫助電子芯片分擔(dān)包括線性計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸、內(nèi)存讀取等在內(nèi)的這些相對(duì)耗時(shí)的操作。

          “光子芯片是人工智能時(shí)代的基礎(chǔ)設(shè)施,可以廣泛應(yīng)用于高速傳輸、遠(yuǎn)距離感知、人工智能計(jì)算處理領(lǐng)域。”張思申說(shuō)。

          他舉例說(shuō)明:在5G通信領(lǐng)域,光通信已經(jīng)得到了相當(dāng)廣泛的應(yīng)用,現(xiàn)在的云計(jì)算和數(shù)據(jù)中心中,已經(jīng)大量采用了基于光子芯片的光收發(fā)模塊,谷歌現(xiàn)在已經(jīng)是全球最大的光器件采購(gòu)商。在人工智能領(lǐng)域,光子芯片是一種光計(jì)算架構(gòu)與人工智能算法高度匹配的芯片設(shè)計(jì),可應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、安防監(jiān)控、語(yǔ)音識(shí)別、圖像識(shí)別、醫(yī)療診斷、虛擬現(xiàn)實(shí)等關(guān)鍵人工智能領(lǐng)域,并已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用。在光計(jì)算方面,類腦光子芯片模擬人腦的計(jì)算,通過(guò)光子攜帶信息在模擬大腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架下處理數(shù)據(jù),使芯片達(dá)到像人腦一樣高速并行且低功耗的計(jì)算。包括IBM、英特爾,以及國(guó)內(nèi)的一些企業(yè)和研究院所都在研發(fā)光CPU。“不過(guò),硅基光電子產(chǎn)品的大規(guī)模商用還需時(shí)日,光計(jì)算市場(chǎng)還需要時(shí)間培育。”他坦言。

          此外,在光感知方面,基于光子技術(shù)的激光雷達(dá)是當(dāng)下的熱點(diǎn)技術(shù)和應(yīng)用方向,特別是在無(wú)人駕駛行業(yè)的應(yīng)用,推動(dòng)了行業(yè)的發(fā)展。在生物醫(yī)藥、納米器件等的內(nèi)部結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)高分辨無(wú)損檢測(cè)的新型計(jì)算顯微關(guān)聯(lián)成像裝備中,光子芯片均可以發(fā)揮其高速并行、低功耗、微型化的優(yōu)勢(shì)。

          在空間激光通信領(lǐng)域,光子芯片是解決目前空間傳輸速率瓶頸問(wèn)題的主要技術(shù)手段,另外還有星間互聯(lián)網(wǎng)、6G通信、智能遙感測(cè)繪等國(guó)家戰(zhàn)略安全和戰(zhàn)略需求領(lǐng)域,而這些都是需要對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行高速、低功耗、實(shí)時(shí)處理的。光子芯片在這些國(guó)家戰(zhàn)略領(lǐng)域?qū)⑵鸬椒浅V匾闹巫饔谩?/p>

          電子芯片仍占主導(dǎo)地位

          盡管光子芯片的優(yōu)勢(shì)明顯,但張思申直言,目前在芯片領(lǐng)域,電子芯片仍占據(jù)主導(dǎo)地位。特別是存儲(chǔ)領(lǐng)域,仍是電存儲(chǔ)芯片的天下,光存儲(chǔ)還未實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)突破。在傳輸相關(guān)領(lǐng)域,如光通訊上,光子芯片已經(jīng)被大量使用,占主要地位。在邏輯運(yùn)算領(lǐng)域,未來(lái)的趨勢(shì)是光電集成的結(jié)合,還需要很長(zhǎng)一段時(shí)間逐步替代,才能實(shí)現(xiàn)全光計(jì)算。“總體來(lái)說(shuō),目前只在個(gè)別計(jì)算和傳輸領(lǐng)域,光子芯片可以取代電子芯片的地位。”他說(shuō)。

          從工藝上看,光子芯片擺脫了對(duì)摩爾定律不斷縮小工藝尺寸的依賴,從而降低了對(duì)先進(jìn)工藝的需求,一定程度上減輕了當(dāng)前芯片發(fā)展的關(guān)鍵問(wèn)題。“實(shí)際上我們可以看到,很多實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的高端光子芯片來(lái)自海外,這一現(xiàn)狀需要我們國(guó)內(nèi)的光子芯片企業(yè)不斷努力,提高產(chǎn)品性能,提高國(guó)產(chǎn)化率。”張思申說(shuō)。

          “如今光子計(jì)算仍處于早期階段,最大的挑戰(zhàn)來(lái)自于對(duì)于光計(jì)算芯片上光學(xué)器件密度的提升。在這一全新賽道上,我們雖然沒(méi)有前路可以借鑒,但發(fā)展前景令人十分期待。光學(xué)計(jì)算已經(jīng)在商業(yè)化道路上邁出了重要的一步,相信在未來(lái)的兩三年內(nèi),我們可以看到光子計(jì)算芯片的應(yīng)用,開(kāi)啟計(jì)算革命。”張思申說(shuō)。(崔爽)

          延伸閱讀

          布局光子芯片產(chǎn)業(yè) 各國(guó)均在路上

          目前,全球多個(gè)國(guó)家出臺(tái)政策,扶持光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國(guó)外領(lǐng)先的半導(dǎo)體企業(yè)也都紛紛在光子芯片領(lǐng)域重金投入,以求在未來(lái)的競(jìng)爭(zhēng)中占據(jù)主動(dòng)地位。

          2018年1月,工信部發(fā)布了中國(guó)光電子器件發(fā)展五年路線圖(2018—2022),其中明確提及中國(guó)光通信器件產(chǎn)業(yè)目標(biāo):2022年中低端光電子芯片國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)60%,高端光電子芯片的國(guó)產(chǎn)化率突破20%。

          國(guó)內(nèi)的華為、光迅、海信等公司都在光子芯片領(lǐng)域進(jìn)行了布局。據(jù)張思申介紹,目前在光通訊中低端光子芯片領(lǐng)域我們實(shí)現(xiàn)自主供貨,高端光子芯片也逐步走向成熟。近幾年國(guó)內(nèi)也出現(xiàn)了一些優(yōu)秀的光子芯片初創(chuàng)公司,如陜西源杰半導(dǎo)體在國(guó)產(chǎn)激光芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模量產(chǎn),打破了國(guó)外壟斷;曦智科技2019年4月發(fā)布了全球首款光子芯片原型板卡,并通過(guò)流片驗(yàn)證,計(jì)劃從2021年起為AI云計(jì)算帶來(lái)高效的量產(chǎn)產(chǎn)品。

          關(guān)鍵詞: 光子芯片

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