清華光芯片取得新突破，邁向AI光訓(xùn)練

電子發(fā)燒友網(wǎng)報道（文/吳子鵬）近日，清華大學(xué)發(fā)布官方消息稱，清華大學(xué)電子工程系方璐教授課題組、自動化系戴瓊海院士課題組另辟蹊徑，首創(chuàng)了全前向智能光計(jì)算訓(xùn)練架構(gòu)，研制了“太極-II”光訓(xùn)練芯片，實(shí)現(xiàn)了光計(jì)算系統(tǒng)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高效精準(zhǔn)訓(xùn)練。

目前，這一研究成果已經(jīng)于北京時間8月7日正式刊登在《自然》期刊上，主題為“光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全前向訓(xùn)練”。

“太極”光訓(xùn)練芯片快速進(jìn)化

去年10月，清華大學(xué)就發(fā)布消息稱，方璐教授課題組、戴瓊海院士課題組聯(lián)合攻關(guān)，提出了一種“掙脫”摩爾定律的全新計(jì)算架構(gòu)：光電模擬芯片，算力達(dá)到目前高性能商用芯片的三千余倍。

2023年10月26日，清華大學(xué)光電模擬芯片的研究成果發(fā)布在《自然》期刊上，這篇論文幫助大家科普了光電模擬芯片的理念和實(shí)現(xiàn)方式。根據(jù)論文，這是一種光電深度融合的計(jì)算框架，結(jié)合了基于電磁波空間傳播的光計(jì)算，與基于基爾霍夫定律的純模擬電子計(jì)算。在芯片制程上，該芯片不再受限于摩爾定律；在數(shù)據(jù)傳輸上，該芯片用光傳輸取代了電信號傳輸，打破了傳統(tǒng)芯片架構(gòu)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、精度與功耗相互制約的物理瓶頸。

今年4月份，這項(xiàng)研究正式推出了“太極”芯片，可實(shí)現(xiàn)160TOPS/W的系統(tǒng)級能效。論文第一作者、清華大學(xué)電子系博士生徐智昊表示，“太極”芯片采用的是干涉—衍射分布式廣度光計(jì)算架構(gòu)，自頂向下的編碼拆分-解碼重構(gòu)機(jī)制，將復(fù)雜智能任務(wù)化繁為簡，拆分為多通道高并行的子任務(wù)，構(gòu)建的分布式‘大感受野’淺層光網(wǎng)絡(luò)對子任務(wù)分而治之，突破物理模擬器件多層深度級聯(lián)的固有計(jì)算誤差。

從“太極”芯片到“太極-II”芯片，只有不到半年的時間，但是其中的進(jìn)步是非常明顯的。根據(jù)論文信息，“太極”芯片依然依賴傳統(tǒng)的光通信架構(gòu)，需要GPU進(jìn)行離線建模，要求高度匹配的前向-反向傳播模型，也就需要物理系統(tǒng)精準(zhǔn)對齊，“太極-II”芯片不再依賴電計(jì)算進(jìn)行離線的建模與訓(xùn)練，大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)高效光訓(xùn)練終于得以實(shí)現(xiàn)。

據(jù)介紹，“太極-Ⅱ”芯片的面世，填補(bǔ)了智能光計(jì)算在大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練這一核心領(lǐng)域的空白。除了加速AI模型訓(xùn)練外，其還在高性能智能成像、高效解析拓?fù)涔庾酉到y(tǒng)等方面表現(xiàn)出卓越性能，為人工智能大模型、通用人工智能、復(fù)雜智能系統(tǒng)的高效精準(zhǔn)訓(xùn)練開辟了新路徑。

更進(jìn)一步說，“太極-Ⅱ”芯片的發(fā)布對“光子傳播對稱性”研究有重要意義，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中的前向與反向傳播都等效為光的前向傳播。據(jù)論文第一作者、電子系博士生薛智威介紹，在太極-II架構(gòu)下，梯度下降中的反向傳播化為了光學(xué)系統(tǒng)的前向傳播，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練利用數(shù)據(jù)-誤差兩次前向傳播即可實(shí)現(xiàn)。兩次前向傳播具備天然的對齊特性，保障了物理梯度的精確計(jì)算。如此實(shí)現(xiàn)的訓(xùn)練精度高，便能夠支撐大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

在芯片制造上，“太極”芯片光學(xué)部分的加工最小線寬僅采用百納米級，電路部分僅采用180nm CMOS工藝，已取得比7nm制程的高性能芯片多個數(shù)量級的性能提升。芯片成本僅為目前先進(jìn)計(jì)算芯片的幾十分之一，這是一種真正的芯片換道超車。

光芯片是計(jì)算芯片的未來？

曾幾何時，摩爾定律被譽(yù)為“硅谷的節(jié)拍器”，但近年來業(yè)界關(guān)于“摩爾定律是否失效”的討論越來越多。尤其是在AI時代，算力需求的爆發(fā)式增長讓摩爾定律正在失效的影響被進(jìn)一步放大。在過去的幾十年中，摩爾定律一直被認(rèn)為是計(jì)算機(jī)行業(yè)的基石之一，當(dāng)其失效之后，會有更多的創(chuàng)新技術(shù)來引領(lǐng)高性能計(jì)算的發(fā)展，比如芯片制造層面的先進(jìn)封裝，再比如量子計(jì)算、光計(jì)算等。

在AI時代的未來里，光芯片被寄予厚望。微電子芯片采用電流信號來作為信息的載體，而光芯片則采用頻率更高的光波來作為信息載體，具有更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲，以及更強(qiáng)的抗電磁干擾能力。

光芯片的核心是用波導(dǎo)來代替電芯片的銅導(dǎo)線，來做芯片和板卡上的信號傳輸，因此光芯片主要由發(fā)光器件（產(chǎn)生光）和光波導(dǎo)（引導(dǎo)光傳播的裝置）組成。當(dāng)光在波導(dǎo)里面?zhèn)鬏數(shù)臅r候，波導(dǎo)和波導(dǎo)之間出現(xiàn)光信號干涉，用這個物理過程來模擬線性計(jì)算這一類的計(jì)算過程，即通過光在傳播和相互作用之中的信息變化來進(jìn)行計(jì)算。

光芯片的發(fā)展并不是完全革新微電子芯片的技術(shù)路徑，而是一種融合，因此光電轉(zhuǎn)化也很關(guān)鍵。在電轉(zhuǎn)光部分，激光器芯片主要用于發(fā)射信號，原理是以電激勵源方式，以半導(dǎo)體材料為增益介質(zhì)，將注入電流的電能激發(fā)，通過光學(xué)諧振放大選模，從而輸出激光，實(shí)現(xiàn)電光轉(zhuǎn)換。激光器芯片用到的增益介質(zhì)包括GaAs（砷化鎵）、InP（磷化銦）、Si（硅基）等。在光轉(zhuǎn)電部分，探測器通過光電效應(yīng)識別光信號，轉(zhuǎn)化為電信號。

光芯片的生產(chǎn)流程基本可以分為芯片設(shè)計(jì)、基板制造、磊晶成長和晶粒制造四個流程，主要技術(shù)壁壘在后兩點(diǎn)，其中磊晶成長也稱外延生長，是技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)。因此，與微電子芯片側(cè)重于光刻工藝追求先進(jìn)制程不同，光芯片性能的提升不完全依靠尺寸的減小，更注重外延結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與生長。

在光芯片的研發(fā)上，國內(nèi)除了清華大學(xué)，中科院的進(jìn)展也是非?？斓?。比如，去年6月中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室微波光電子課題組李明研究員-祝寧華院士團(tuán)隊(duì)研制出一款超高集成度光學(xué)卷積處理器，實(shí)現(xiàn)了“傳輸即計(jì)算，結(jié)構(gòu)即功能”的計(jì)算架構(gòu)，具有大帶寬、低延時、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。

目前，國內(nèi)的光芯片和光模塊廠商包括芯思杰、瑞識科技、新亮智能、度亙激光、長瑞光電、立芯光電、源杰半導(dǎo)體、銳晶激光、索爾思光電、長光華芯、華工科技、光迅科技、新易盛、云嶺光電、敏芯半導(dǎo)體、博創(chuàng)科技、中際旭創(chuàng)、縱慧芯光、曦智科技、劍橋科技、凌越光電、盛為芯等。這些企業(yè)主要關(guān)注數(shù)通市場，應(yīng)用領(lǐng)域包括5G和數(shù)據(jù)中心光通信等。

不過，在數(shù)通市場的企業(yè)端，目前國內(nèi)也還處于落后的位置，高端光器件的國產(chǎn)化率還比較低，比如25G及以上的光芯片，?國產(chǎn)化率就比較低，其中25G光芯片的國產(chǎn)化率為20%，更高速率的國產(chǎn)化率僅為5%。在25G及以上的光模塊里，光芯片的成本占比超過了60%，且速率越高占比越高，可見光芯片的重要性。

在光計(jì)算芯片方面，國內(nèi)光計(jì)算芯片公司光本位科技已完成首顆算力密度和算力精度均達(dá)到商用標(biāo)準(zhǔn)的光計(jì)算芯片流片，峰值算力為1700TOPS，對標(biāo)的是英偉達(dá)的A100，產(chǎn)業(yè)落地也在破曉之際。

結(jié)語

根據(jù)LightCounting的數(shù)據(jù)測算，全球光芯片市場規(guī)模將從2022年的27億美元增長至2027年的56億美元，CAGR為16%。其中絕大部分的光芯片仍然主要用于數(shù)據(jù)傳輸，在計(jì)算層面光芯片還在起步階段，但概念探索和成果落地的速度非?？?，國內(nèi)清華大學(xué)和中科院更是捷報頻傳，有望實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)高性能計(jì)算芯片的換道超車。?