解析光子芯片的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用

光子算數(shù)工程師在超凈實(shí)驗(yàn)室測(cè)試光子人工智能芯片。

光子人工智能芯片。光子芯片的計(jì)算速度為電子芯片的1000倍，但功耗僅為其百分之一。

算力是傳統(tǒng)電子人工智能芯片的1000倍，但功耗只有其百分之一，低延遲還抗電磁干擾，由清華、北大、北交大等高校博士生創(chuàng)業(yè)研發(fā)的光子人工智能芯片，在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)不少突破，未來可廣泛應(yīng)用于手機(jī)、自動(dòng)駕駛、智能機(jī)器人、無人機(jī)等領(lǐng)域。近日，該光子人工智能芯片項(xiàng)目落戶順義，將這項(xiàng)新技術(shù)推向了臺(tái)前。

“芯片的設(shè)計(jì)、加工、封裝、測(cè)試全部在國(guó)內(nèi)完成，擺脫了對(duì)國(guó)外高制程***的依賴，是我國(guó)在芯片領(lǐng)域換道超車的核心技術(shù)?！毖芯繄F(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人白冰說。

具高速率、低功耗優(yōu)勢(shì)

落地順義的光子人工智能芯片出自一個(gè)由清華、北大、北交大等多所高校的在校博士生組成的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)，該團(tuán)隊(duì)是全國(guó)第一個(gè)，也是全球第二個(gè)光子人工智能芯片研究團(tuán)隊(duì)。

團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、光子芯片的研發(fā)者之一——白冰，目前正在北京交通大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)攻讀博士學(xué)位。作為國(guó)內(nèi)第一個(gè)研究光子計(jì)算的團(tuán)隊(duì)，白冰介紹，光子芯片具有低延遲、抗電磁干擾等優(yōu)勢(shì)，計(jì)算能力是傳統(tǒng)芯片的三個(gè)數(shù)量級(jí)，功耗卻只有傳統(tǒng)芯片的百分之一。

全流程可在國(guó)內(nèi)完成

對(duì)于光子人工智能芯片發(fā)展的意義，白冰說，國(guó)內(nèi)電子芯片設(shè)計(jì)領(lǐng)域能力很強(qiáng)，但在核心加工環(huán)節(jié)有一個(gè)很強(qiáng)的技術(shù)壁壘，需依賴國(guó)外的高制程***，在成本等多個(gè)方面都會(huì)受限。光子人工智能芯片的生產(chǎn)過程自主可控，全流程可在國(guó)內(nèi)完成，采用國(guó)內(nèi)130nm微電子工藝加工完成，擺脫了對(duì)于國(guó)外高制程***的依賴，無需在工藝制程上進(jìn)行追趕。

“芯片的設(shè)計(jì)、加工、封裝、測(cè)試全部在國(guó)內(nèi)完成，擺脫了對(duì)國(guó)外高制程***的依賴，所以說是我國(guó)在芯片領(lǐng)域換道超車的核心技術(shù)?！卑妆f。

白冰表示，未來芯片主要還是針對(duì)人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。目前光子人工智能芯片的產(chǎn)品部署主要集中于設(shè)備端，預(yù)計(jì)于2022年將光子芯片運(yùn)用到云端。

記者了解到，第三代半導(dǎo)體是北京市高精尖產(chǎn)業(yè)的重要內(nèi)容，也是順義確定發(fā)展的三大創(chuàng)新型產(chǎn)業(yè)集群之一。當(dāng)前，順義正布局全產(chǎn)業(yè)鏈，7.1萬(wàn)平方米的第三代半導(dǎo)體材料及應(yīng)用聯(lián)合創(chuàng)新基地已于去年12月竣工。目前，中關(guān)村科技園區(qū)順義園管理委員會(huì)已與其團(tuán)隊(duì)簽約，項(xiàng)目正式落戶順義。

據(jù)介紹，上海也已開始光子芯片的布局，計(jì)劃到2021年建成全國(guó)硅光子芯片研發(fā)和中試基地，到2025年量產(chǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)芯片批量供貨，成為國(guó)際知名硅光子的研發(fā)、制造基地。

釋疑1 什么是光子人工智能芯片？

白冰介紹，光子人工智能芯片是指采用硅基光子集成技術(shù)，讓光提供算力，為人工智能應(yīng)用提供高性能的硬件支持。第一個(gè)層面是“人工智能芯片”。如果一個(gè)芯片要跑得非?？臁⒎浅Ｊ‰?，一定是芯片的物理結(jié)構(gòu)跟軟件高度匹配，這樣才能達(dá)到一個(gè)比較高的效率。包括現(xiàn)在的人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、安防監(jiān)控、AI金融、AI醫(yī)療等，實(shí)際上都是一種人工智能算法，要設(shè)計(jì)一款芯片結(jié)構(gòu)跟其特征匹配，這就是人工智能芯片。

第二個(gè)層面是“光子”。已有的人工智能芯片都是電子芯片，電子芯片在計(jì)算速度和功耗方面會(huì)有瓶頸。光子人工智能芯片是依托硅基光子集成技術(shù)，在內(nèi)部用光完成矩陣運(yùn)算與數(shù)據(jù)交換。它的計(jì)算過程與人工智能算法高度匹配，計(jì)算速度比普通電子芯片高，功耗比電子芯片低。

中科院上海微系統(tǒng)所所長(zhǎng)助理、上海新微科技集團(tuán)總裁秦曦曾介紹，集成電路的發(fā)展沿著摩爾定律已趨于極限，硅光子技術(shù)是超越摩爾研究領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。通過硅光集成，用光代替原來的電進(jìn)行傳輸，成本有可能降低到原來的十分之一，甚至更低。

釋疑2 與傳統(tǒng)芯片比有哪些優(yōu)勢(shì)？

白冰解釋，主要有兩方面優(yōu)勢(shì)。一個(gè)優(yōu)勢(shì)是計(jì)算速度，光子人工智能芯片的計(jì)算速度大概是電子芯片的三個(gè)數(shù)量級(jí)，約1000倍，單個(gè)電子芯片的計(jì)算速度大約是7.8TFlops，而光子人工智能芯片的計(jì)算速度大概是3200TFlops。第二個(gè)優(yōu)勢(shì)是功耗，光子人工智能芯片的功耗僅為電子芯片的百分之一，單位電子芯片和耗電量大概300W，對(duì)應(yīng)的光子人工智能芯片的耗電量只有4W。

對(duì)比不同芯片在同一情境下是否具有優(yōu)勢(shì)，要考慮性能功耗比、單位美元提供算力兩方面。性能功耗比是指消耗單位瓦特提供的性能，重在強(qiáng)調(diào)涉及多少電費(fèi)，單位美元提供算力則重在強(qiáng)調(diào)芯片的生產(chǎn)成本。在這兩方面，光子人工智能芯片比電子芯片更有優(yōu)勢(shì)。

釋疑3 未來主要應(yīng)用在哪些方面？

白冰表示，光子人工智能芯片可廣泛用于手機(jī)、安防監(jiān)控、自動(dòng)駕駛、服務(wù)機(jī)器人、無人機(jī)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、企業(yè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵人工智能領(lǐng)域。比如在分揀機(jī)器人機(jī)械臂上裝上攝像頭，讓它識(shí)別有什么東西，控制它去抓取等。

據(jù)其介紹，光子人工智能芯片的發(fā)展得益于人工智能的發(fā)展。光學(xué)計(jì)算芯片其實(shí)在實(shí)驗(yàn)室一直存在，但它一直沒有比較好的應(yīng)用場(chǎng)景，沒有辦法落地應(yīng)用。近年來伴隨著人工智能的興起，人工智能的算法特征恰好跟光學(xué)芯片物理性能匹配，這使得光學(xué)計(jì)算有了走出實(shí)驗(yàn)室、走向產(chǎn)業(yè)應(yīng)用的機(jī)會(huì)，就是這樣一個(gè)過程。

中科院“百人計(jì)劃”專家、上海微系統(tǒng)所研究員余明斌回國(guó)后也一直致力于硅光工藝平臺(tái)的建設(shè)。他認(rèn)為，這是一個(gè)可能引發(fā)巨大產(chǎn)業(yè)新空間的前瞻性技術(shù)。