“光子芯片”——讓光提供運算能力，中國“芯”助跑人工智能

從三國的“木牛流馬”到現(xiàn)代的自動駕駛，讓“物”具有一部分人的智能，是人類一直以來的夢想。

近年來，中國在人工智能各個領域全面發(fā)力。以機器人為例，《2019年中國機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》顯示，今年我國機器人市場規(guī)模預計達到86.8億美元，2014-2019年的平均增長率達到20.9%。

人工智能發(fā)展離不開計算能力的飛躍，芯片就是計算機的大腦。如今，國內(nèi)多個團隊正在突破各種不同形式的芯片，在人工智能的比拼中差異化生存。

【長報道】

2008年，白冰來到北京理工大學就讀光電子專業(yè)。

那時，距離圍棋“人機大戰(zhàn)”還有很多年，自動駕駛汽車未在亦莊路測，人工智能尚在萌芽中。

本科后兩年，白冰交換到澳大利亞國立大學物理光學專業(yè)，并在澳大利亞讀完碩士。2014年，25歲的白冰結(jié)束4年留學生涯，回國攻讀博士?！拔夷菚r候經(jīng)常去聽各種學術(shù)會議，結(jié)識了各種志同道合的朋友，也認識整個芯片行業(yè)上下游的各種企業(yè)?！?/p>

2017年，白冰開始創(chuàng)業(yè)，組建了全球第二個光子人工智能芯片研究團隊。他們制作的光子芯片——硅光AI芯片，有望擺脫對國外高制程光刻機的依賴，成為我國在芯片領域換道超車的核心技術(shù)。

這是我國打造核“芯”競爭力的一個縮影。

有了更多更強更好用的芯片，人工智能產(chǎn)業(yè)得以蓬勃發(fā)展，《2019-2020中國人工智能計算力發(fā)展評估報告》提到，圍繞京津冀、長三角、大灣區(qū)三大經(jīng)濟圈形成的人工智能三大產(chǎn)業(yè)集群已初具雛形。

白冰和團隊設計制作的硅光AI芯片。攝影/新京報記者 王貴彬

“光子芯片”——讓光提供運算能力

我們的世界充滿著光。

用光做傳輸信號，讓光轉(zhuǎn)換為能量，大家都能理解，但說到讓光提供運算能力，不少人都是一頭霧水。

光子芯片，就能向光“要來”運算能力，是白冰和團隊致力研發(fā)的領域。

目前，業(yè)界使用的芯片一般為電子芯片（半導體芯片），即超大規(guī)模集成電路，一塊芯片上有幾百萬的晶體管。而光子芯片上有無數(shù)個光學開關器，利用不同波長、相位和強度的光線組合進行信息處理。

“對于光來說，傳輸就是計算。比如光通過一個透鏡發(fā)生折射，你通過透鏡看到另一端的物體變形了。圖像經(jīng)過轉(zhuǎn)化傳到你的眼睛的過程中，透鏡使得圖像發(fā)生了變化，這就是一個計算的過程。”白冰說。

白冰和初創(chuàng)團隊多有光通信背景，對于使用光進行計算的想法，白冰覺得很自然，“技術(shù)已經(jīng)到了這個程度”。這也是他們團隊的優(yōu)勢，因為很多現(xiàn)成的光學元件可以直接拿來用。

光子芯片如何與人工智能搭上邊？白冰解釋，如果一個芯片跑得非?？臁⒎浅Ｊ‰?，一定是芯片的物理結(jié)構(gòu)與軟件高度匹配，才能實現(xiàn)高效率?，F(xiàn)在的人臉識別、自動駕駛、安防監(jiān)控、AI金融、AI醫(yī)療等功能，都依賴人工智能算法，一款能跟算法匹配的芯片，就是人工智能芯片。

實現(xiàn)人工智能需要大量線性運算，而光子芯片天生適合線性計算——算法高度匹配，計算速度比普通電子芯片高?！肮鈱W計算芯片在實驗室一直存在，但長期沒有比較好的應用場景，無法落地應用，人工智能的發(fā)展使得光子芯片有了用武之地?！卑妆f。

2017年中，白冰和團隊想法成熟，開始著手畫圖和設計。

“設計用了幾個月，2018年初做出了芯片?！卑妆f，芯片的設計、加工、封裝、測試全部在國內(nèi)完成，最初花費近百萬元，他自掏腰包。

他們制作的硅光AI芯片采用國內(nèi)130nm微電子工藝，工藝制程容忍度很高，擺脫了對于國外高制程光刻機的依賴，國內(nèi)很多廠商都能做?！肮庾有酒梢哉f是我國在芯片領域換道超車的核心技術(shù)?！?/p>

雖然無需最新工藝，光子芯片的性能毫不遜色。

“光子芯片能提供電子芯片10倍以上的算力”，白冰介紹。

2018年，全國雙創(chuàng)周北京主會場，白冰和團隊已經(jīng)拿出硅光AI芯片樣本，吸引了很多人駐足。當年第四屆中國“互聯(lián)網(wǎng)+”大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽上，白冰作為負責人的創(chuàng)業(yè)項目《光子人工智能芯片》參加比賽并獲得銀獎。

如今，他們在中關村國防科技園有了自己的辦公室，建立了超凈實驗室，光子人工智能芯片項目也成功簽約落戶順義。按照白冰的暢想，未來光子芯片主要還是瞄準人工智能領域的應用與發(fā)展。目前，光子人工智能芯片的產(chǎn)品主要集中于云端，之后將推向設備端。

白冰正在超凈實驗室操作半自動芯片測試平臺。攝影/新京報記者 王貴彬

智慧城市的“大腦”

功耗是光子芯片的另一大賣點。無論是性能功耗比還是單位美元提供算力，光子芯片都比電子芯片更有優(yōu)勢。

“電子芯片的功耗比已經(jīng)到了瓶頸，但是光子芯片的能力還遠沒有到頂。我們希望更多資源進來，一起優(yōu)化光子芯片的能力。”白冰介紹，光子人工智能芯片的功耗僅為電子芯片的十分之一，能效比可達10T/W。

中科院上海微系統(tǒng)所所長助理秦曦介紹，集成電路的發(fā)展已趨于極限，而通過硅光集成，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。

前不久，國內(nèi)三大運營商都采購了光子芯片進行功耗測試。在未來的智慧城市建設中，光子芯片被寄予厚望。

“智慧城市需要建設很多‘智慧大腦’作為信息處理中心，然后通過5G將計算能力傳出去。光子芯片可以作為‘智慧大腦’的面板，降低能耗?！?/p>

白冰介紹，光子芯片還可廣泛應用于自動駕駛、智能機器人、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領域。

下一步，白冰團隊將在硬件基礎上提供底層工具，希望國內(nèi)高校、科研院所以及企業(yè)，共同參與，建立完整的光子芯片生態(tài)系統(tǒng)。

多所高校正在光子芯片領域攻堅。今年第五期《半導體學報》上，北京大學物理學院陳建軍研究員介紹，光子芯片技術(shù)的逐漸成熟必將引起光信息技術(shù)領域的又一次革命，將在通信、醫(yī)療、計算、國防、能源等領域產(chǎn)生顛覆式的革新。

白冰和團隊設計的硅光AI芯片測試系統(tǒng)。攝影/新京報記者 王貴彬

“井噴”的人工智能芯片

光子芯片不是唯一能實現(xiàn)人工智能的芯片。

近兩年的全國雙創(chuàng)周上，不少企業(yè)推出了其他種類豐富的人工智能芯片。

例如，清微智能研發(fā)的可重構(gòu)芯片，可在超低功耗下實現(xiàn)人臉識別。

可重構(gòu)是清微智能的核心技術(shù)。首席技術(shù)官歐陽鵬解釋，所謂可重構(gòu)，就是沒有把整個電路做“死”。例如，人臉檢測和語音識別是兩個應用、兩個算法，對應的是兩個不同的電路，“這兩個不同的電路，我們只用一顆芯片，切換一下，就能從一個電路變成另外一個電路。實現(xiàn)這一技術(shù)有很多難點，比如如何讓電路切換更加高效，用了很長時間才實現(xiàn)相對穩(wěn)定?！?/p>

存算一體芯片領域，也有團隊在深耕。

知存科技是國內(nèi)唯一一家應用存算一體技術(shù)的公司。工作人員易金剛解釋，儲存和運算分開，數(shù)據(jù)進行交互時就會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)吞吐。隨著用戶對視頻和語音等應用的需求越來越大，數(shù)據(jù)吞吐率成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，把計算和存儲盡可能融合在一起，是一個解決方案。以智能耳機為例，芯片經(jīng)過訓練后，能學習音量增大、音量減小、上一首、下一首、開機、關機等關鍵詞，因為采用神經(jīng)網(wǎng)絡計算模式，匹配度極高。

易金剛表示，目前人工智能有幾大主流分支，最重要的就是神經(jīng)網(wǎng)絡計算，通過不斷迭代和推理過程來完成人工智能計算，很多大公司在做，但是需要借助云端服務。“我們這個產(chǎn)品把云端放到端點這邊來解決，把神經(jīng)網(wǎng)絡學習和計算中最復雜、最耗代價的部分通過存算一體芯片來完成?！?/p>

北京靈汐科技生產(chǎn)的自行車，周身纏繞著鱗次櫛比的線路，連接著各類傳感器，車后座上的芯片被稱為類腦芯片。依靠芯片，自行車能跟在人后跑，前面有障礙物，自行車也能從周圍繞過。自行車還能進行語音辨認，履行轉(zhuǎn)向、加速等多種操作。

“自行車僅僅是一個載體，核心技術(shù)就是類腦芯片。這輛車本身的造價為40萬元，而芯片的研制本錢超過1億元?！北本╈`汐科技公司副總經(jīng)理梅迪說。

上個月，清華大學發(fā)布全球首款異構(gòu)融合類腦芯片，并登上了Nature雜志封面。其實，這款芯片也曾在雙創(chuàng)周多次亮相。

實驗人員展示硅光AI芯片的光電混合封裝。攝影/新京報記者 王貴彬

我國有望形成人工智能三大產(chǎn)業(yè)群

我國芯片產(chǎn)業(yè)起源于上世紀50年代，1953年，蘇聯(lián)援建的北京電子管廠開建，一度是亞洲最大的晶體管廠。

最早，我們走的是自主研發(fā)道路，盡管面臨國際技術(shù)封鎖，落后并不多，但在隨后的世界芯片業(yè)快速發(fā)展期，差距被迅速拉大。

1977年，全國600多家半導體生產(chǎn)工廠，一年生產(chǎn)的集成電路總量，只等于日本一家大型工廠月產(chǎn)量的十分之一。

痛定思痛之后，我國先后推出“909工程”以及“國產(chǎn)高性能SOC芯片”“龍芯2號增強型處理器芯片設計”等課題。

2014年，總額超1200億元國家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金成立，專為促進集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而設立。

如今，以光子芯片為代表，“中國芯”正受到更多關注。

2017年底，工信部發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》披露，高速率光子芯片國產(chǎn)化率僅3%左右，并提出2022年中低端光子芯片國產(chǎn)化率超過60%，高端光子芯片國產(chǎn)化率突破20%的目標。

在北京，以芯片等為代表的高新技術(shù)，正在引領產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級，一些芯片企業(yè)開始在國內(nèi)甚至國際市場嶄露頭角。

國內(nèi)首家碳化硅芯片企業(yè)總經(jīng)理陳彤表示，半導體技術(shù)發(fā)展了近半個世紀，總體上這幾年來各個方向都碰到了瓶頸?！艾F(xiàn)在用新型的化合物材料替代原本的硅材料，才能為用戶提供更高性能的芯片。這是近年全球出現(xiàn)的一個技術(shù)升級換代的趨勢，這個新趨勢就為國內(nèi)的新企業(yè)、新供應商提供了機會，進入這個常被國外大企業(yè)壟斷封鎖的高端行業(yè)?！?/p>

陳彤認為，芯片行業(yè)競爭沒有國界限制，只能拼質(zhì)量、拼服務、拼技術(shù)，沒有捷徑可走。他的企業(yè)前前后后花了兩個多億，才能搶占一個橋頭堡?！巴跺X建線的過程就要兩三年，投產(chǎn)爬坡又要五六年?！标愅f。

得益于芯片產(chǎn)業(yè)的扎實基礎，我國人工智能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

2019中國人工智能計算大會發(fā)布的《2019-2020中國人工智能計算力發(fā)展評估報告》提到，圍繞京津冀、長三角、大灣區(qū)三大經(jīng)濟圈形成的人工智能三大產(chǎn)業(yè)集群已初具雛形。

各城市正在不同領域發(fā)力。

北京市經(jīng)信局局長王剛此前透露，北京正在制定《北京市機器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動方案》，或?qū)?gòu)建醫(yī)療健康機器人、特種機器人、協(xié)作機器人、倉儲機器人和關鍵零部件4+1產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。到2021年，培育三到五家細分領域龍頭企業(yè)，機器人及相關產(chǎn)業(yè)收入超過120億元。

上海已開始光子芯片布局，2017年將硅光子列入首批市級重大專項，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。

珠三角方面，以廣州市南沙區(qū)為例，已成立人工智能研究院、推出產(chǎn)業(yè)基金，并打造人工智能產(chǎn)業(yè)園?！稄V州南沙人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動計劃（2018-2020年）》提出，到2020年，建成國際領先的人工智能產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，形成一批富有活力和可持續(xù)發(fā)展的“AI+”新型產(chǎn)業(yè)。

人工智能的標準化也在進行中。2018年1月，國家人工智能標準化總體組、專家咨詢組成立，推進標準化工作。今年4月，國家人工智能標準化總體組第二次全體會議召開，發(fā)布了人工智能開源與標準化研究、人工智能倫理風險分析等研究成果，《國家新一代人工智能標準體系建設指南》也進入審改完善階段。

光子算數(shù)團隊創(chuàng)始人白冰。受訪者供圖

【親歷者說】

光子算數(shù)團隊創(chuàng)始人白冰：硅光AI芯片可逐步替代進口高端芯片

我國微電子工藝與國外至少有3代差距，直接導致了國產(chǎn)市場占有率低，高端人工智能芯片嚴重依賴進口等受制于人的局面。

2017年，我們幾個博士聚在一起開始研究光子芯片。這個工作涉及多領域深度交叉融合，當時基本聚集了北京的主要高校，學科也是從軟到硬都有覆蓋。

我們從學術(shù)研討到走向產(chǎn)業(yè)化，一步步摸索出了硅光AI芯片這樣一個新技術(shù)。

近些年，人工智能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，采用單一電子技術(shù)已經(jīng)無法滿足當前人工智能芯片性能的需要，也限制了人工智能產(chǎn)業(yè)的落地和發(fā)展。硅光AI芯片融合人工智能、光電子集成和微電子等多領域技術(shù)創(chuàng)新，采用國內(nèi)成熟的硅基集成光電子工藝完成，擺脫對國外先進制程光刻機依賴的同時，將光子技術(shù)引入傳統(tǒng)微電子芯片架構(gòu)，為下一代高性能、低功耗人工智能芯片開辟道路，對加快人工智能產(chǎn)業(yè)落地，扭轉(zhuǎn)我國在高端芯片領域受制于人的局面具有重大意義。

硅光AI芯片的研發(fā)、落地將掀起新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命，自下而上地改變國內(nèi)人工智能產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，以“高端芯片國產(chǎn)可控”為標志推動新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。

2015年，《Nature》報道了世界首個光電混合集成CPU，基于光電子集成工藝，在同一塊襯底上集成了7000萬個晶體管和850個光學元件，這是傳統(tǒng)電子架構(gòu)向光電異構(gòu)轉(zhuǎn)變的開端，帶來嶄新的計算形式。2018年底，北京交通大學科研團隊成功演示了基于光子神經(jīng)網(wǎng)絡的人工智能計算任務，并在國內(nèi)完成了所有芯片相關的制備和封裝。

從產(chǎn)品替代性角度看，硅光AI芯片可以逐步替代進口高端人工智能芯片。

具體來說，硅光AI芯片在電子技術(shù)基礎上引入光子技術(shù)，以光學手段彌補、提升高制程工藝下人工智能芯片的性能，進而媲美進口低制程芯片，因此可以極大地動搖進口高端人工智能芯片在我國的壟斷地位。

【同題問答】

新京報：你認為新中國成立70周年最大的變化和進步是什么？

白冰（光子算數(shù)團隊創(chuàng)始人）：實現(xiàn)人工智能一直是人類的愿望，各種機器人很早就出現(xiàn)在科幻作品中。

以新中國70周年的跨度來看，人工智能是從無到有，甚至在21世紀才實現(xiàn)跨越式發(fā)展，光和人工智能的“相遇”更是最近幾年才有了眉目。硅光芯片研發(fā)在我國起步于2004年，之后在設計、制造、封測、軟件工具等方面取得了全產(chǎn)業(yè)鏈條的迅速發(fā)展，逐漸成為一個未來可期的產(chǎn)業(yè)。

近年來，全國和北京都在雙創(chuàng)上給了很多政策，我從博士研究生時開始創(chuàng)業(yè)，在雙創(chuàng)周的亮相讓我們獲得了一定的關注。我覺得，新中國成立70周年，除了技術(shù)已經(jīng)演進到了人工智能時代，良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的政策也激勵了很多創(chuàng)業(yè)者，使我堅信光子芯片可以在人工智能時代大放異彩。