近幾十年以來(lái)，微電子技術(shù)與電子芯片產(chǎn)業(yè)遵循著摩爾定律不斷發(fā)展，隨著傳統(tǒng)制程工藝逼近極限，電子芯片在進(jìn)一步提升計(jì)算速度和降低功耗方面的技術(shù)突破，面臨難以解決的瓶頸。在后摩爾時(shí)代，光芯片這一顛覆性技術(shù)被視為破局的關(guān)鍵。


光芯片，難覓用武之地？

實(shí)際上，光芯片很早就有，已經(jīng)很成熟，比如2000年前后的海底光纜，光通訊兩端的收發(fā)模塊都是光子芯片，甚至在上課或開(kāi)會(huì)時(shí)用的激光筆，里面也有激光器芯片，也是一種光子芯片。

但這些是不可編程的光學(xué)線性計(jì)算單元，所以無(wú)法運(yùn)用于計(jì)算領(lǐng)域。要想通過(guò)光來(lái)提升算力，具有實(shí)用價(jià)值的計(jì)算單元就必須具備可編程性。

而針對(duì)光計(jì)算的研究也很早就開(kāi)始了，始于20世紀(jì)60年代，但受到當(dāng)時(shí)應(yīng)用范圍有限以及電子計(jì)算技術(shù)快速發(fā)展的影響，光計(jì)算處理器未能成功邁向商用。

直到最近10年，這種光計(jì)算芯片才逐漸取得突破性進(jìn)展。

尤其是在當(dāng)前時(shí)代，AI應(yīng)用正推動(dòng)對(duì)算力的需求，光芯片作為重要的潛在顛覆性技術(shù)路徑，光計(jì)算芯片近年來(lái)又重新受到廣泛關(guān)注。

光芯片的核心是用波導(dǎo)來(lái)代替電芯片的銅導(dǎo)線，來(lái)做芯片和板卡上的信號(hào)傳輸，其實(shí)就是換了一種介質(zhì)。當(dāng)光在波導(dǎo)里面?zhèn)鬏數(shù)臅r(shí)候，波導(dǎo)和波導(dǎo)之間出現(xiàn)光信號(hào)干涉，用這個(gè)物理過(guò)程來(lái)模擬線性計(jì)算這一類(lèi)的計(jì)算過(guò)程，即通過(guò)光在傳播和相互作用之中的信息變化來(lái)進(jìn)行計(jì)算。

與最先進(jìn)的電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及數(shù)字電子系統(tǒng)相比，光子計(jì)算架構(gòu)在速度、帶寬和能效上優(yōu)勢(shì)突出。因此，光子計(jì)算能夠有效突破傳統(tǒng)電子器件的性能瓶頸，滿足高速、低功耗通信和計(jì)算的需求。

需要指出的是，光子計(jì)算的發(fā)展目標(biāo)不是要取代傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)，而是要輔助已有計(jì)算技術(shù)在基礎(chǔ)物理研究、非線性規(guī)劃、機(jī)器學(xué)習(xí)加速和智能信號(hào)處理等應(yīng)用場(chǎng)景更高效地實(shí)現(xiàn)低延遲、大帶寬和低能耗。

硅光計(jì)算芯片通過(guò)在單個(gè)芯片上集成多種光子器件實(shí)現(xiàn)了更高的集成度，還能兼容現(xiàn)有半導(dǎo)體制造工藝，降低成本，解決后摩爾時(shí)代AI硬件的性能需求，突破馮·諾依曼架構(gòu)的速度和功耗瓶頸。

綜合來(lái)看，光芯片的優(yōu)勢(shì)可以總結(jié)為：速度快/低延遲、低能耗、擅長(zhǎng)AI矩陣計(jì)算等。

速度快/低延遲：光計(jì)算芯片最顯著的優(yōu)勢(shì)是速度快、延遲低，在芯片尺寸的厘米尺度上，這個(gè)延遲時(shí)間是納秒級(jí)，且這個(gè)延遲與矩陣的尺寸幾乎無(wú)關(guān)，在尺寸較大的情況下，光子矩陣計(jì)算的延遲優(yōu)勢(shì)非常明顯。

低能耗：鏡片折射本身是不需要能量的，是一個(gè)被動(dòng)過(guò)程。在實(shí)際應(yīng)用中，由于要對(duì)計(jì)算系統(tǒng)編程，其中光信號(hào)的產(chǎn)生和接收是需要耗能的。在光學(xué)器件和其控制電路被較好地優(yōu)化前提下，基于相對(duì)傳統(tǒng)制程的光子計(jì)算的能效比，可媲美甚至超越先進(jìn)制程的數(shù)字芯片。

擅長(zhǎng)矩陣運(yùn)算：光波的頻率、波長(zhǎng)、偏振態(tài)和相位等信息可以代表不同數(shù)據(jù)，且光路在交叉?zhèn)鬏敃r(shí)互不干擾，比如兩束手電筒的光束交叉時(shí)，會(huì)穿過(guò)對(duì)方光束形成“X”型，并不會(huì)互相干擾。這些特性使光子更擅長(zhǎng)做矩陣計(jì)算，而AI大模型90%的計(jì)算任務(wù)都是矩陣計(jì)算。

因此，光計(jì)算芯片在AI時(shí)代迎來(lái)新的用武之地。


中國(guó)科研機(jī)構(gòu)的最新突破

近年來(lái),中國(guó)科研人員在光芯片研發(fā)領(lǐng)域不斷取得新的重大突破,讓我國(guó)的光芯片技術(shù)居于國(guó)際前列,為產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

2021年5月,中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)光電國(guó)家實(shí)驗(yàn)室成功研制出22納米硅基光電子集成芯片。該芯片集成度之高達(dá)56個(gè)激光器和240個(gè)調(diào)制器,在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)如此規(guī)模的光電集成。硅基光電子集成電路因其與硅電子集成電路制程相容而具有制備工藝簡(jiǎn)單和成本低廉的優(yōu)點(diǎn),是光電子集成電路發(fā)展的主流路徑。該芯片的問(wèn)世,標(biāo)志著我國(guó)在光電子集成電路的研發(fā)水平已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先,打破了國(guó)外長(zhǎng)期壟斷的局面。

2022年8月,中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所則研制出了國(guó)內(nèi)首款高性能矽基光電集成芯片。該芯片在集成度和功能上都達(dá)到國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的最高水平,不僅實(shí)現(xiàn)了高性能光電集成電路關(guān)鍵器件的單片集成,還首次在光芯片上集成實(shí)現(xiàn)了可編程的量子邏輯門(mén)電路和支持多粒子量子態(tài)編碼的新型光子集成源,為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的光量子計(jì)算機(jī)提供了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。這些突破令人振奮,意味著我國(guó)量子計(jì)算的發(fā)展不再完全依賴國(guó)外技術(shù)。

2月,華中科技大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在量子操控領(lǐng)域也取得突破。他們成功實(shí)現(xiàn)高效率級(jí)聯(lián)受控相位旋轉(zhuǎn)門(mén),實(shí)現(xiàn)了基于疊加量子態(tài)操作的新型算法模型,是光量子計(jì)算機(jī)算力大幅提升的基石性突破。該成果有望將量子計(jì)算機(jī)的算力拓展10個(gè)量級(jí)之多,為打造真正實(shí)用的通用量子計(jì)算機(jī)邁出關(guān)鍵一步?？梢哉f(shuō),這是對(duì)量子計(jì)算理論和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方向影響深遠(yuǎn)的基礎(chǔ)研究成果。

由此可見(jiàn),近幾年間中國(guó)科學(xué)家在光芯片研發(fā)上連續(xù)取得重大突破,集成度、性能和功能性方面均達(dá)到了世界一流水準(zhǔn),令人對(duì)我國(guó)光芯片產(chǎn)業(yè)的發(fā)展充滿信心。


光子芯片未來(lái)算力突破口的鑰匙

隨著人工智能(AI)時(shí)代的到來(lái),算力需求正以前所未有的速度增長(zhǎng)。傳統(tǒng)的電子芯片面臨著性能瓶頸,無(wú)法滿足AI系統(tǒng)對(duì)極高運(yùn)算能力的需求。而光子芯片(PhotonicChip)憑借其光速傳輸和低功耗等獨(dú)特優(yōu)勢(shì),被視為突破算力瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一,成為全球科技競(jìng)爭(zhēng)的新熱點(diǎn)。

人工智能技術(shù)的飛速發(fā)展離不開(kāi)算力的大幅提升。以ChatGPT為例,這款大型語(yǔ)言模型需要數(shù)萬(wàn)億次參數(shù)相乘累加的運(yùn)算,才能實(shí)現(xiàn)其對(duì)話、創(chuàng)作、編程等驚人能力。而這只是冰山一角,未來(lái)的人工智能系統(tǒng)將需要更高的算力支撐。可以預(yù)見(jiàn),在AI時(shí)代,算力將會(huì)如同工業(yè)時(shí)代的電力一般,成為決定生產(chǎn)力水平和技術(shù)進(jìn)步速度的核心驅(qū)動(dòng)力。

然而,傳統(tǒng)的電子芯片正面臨嚴(yán)峻的物理極限挑戰(zhàn)。國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖(ITRS)顯示,集成電路已接近理論極限,未來(lái)難以再有大幅度的時(shí)鐘頻率和功率提升。換句話說(shuō),電子芯片將無(wú)法滿足AI系統(tǒng)對(duì)極高算力的無(wú)窮饑渴。這已成為制約AI發(fā)展的重要瓶頸之一。

正當(dāng)科技界為算力瓶頸而發(fā)愁之際,光子芯片(PhotonicChip)這一突破性技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,為算力問(wèn)題帶來(lái)了全新的解決方案。與傳統(tǒng)電子芯片依賴電子流動(dòng)不同,光子芯片利用光子(光的量子)來(lái)傳輸和處理信息。由于光子具有質(zhì)量為零、傳播速度極快等獨(dú)特性質(zhì),光子芯片在多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)上都展現(xiàn)出了無(wú)與倫比的優(yōu)勢(shì)。

綜合這些優(yōu)勢(shì),業(yè)內(nèi)普遍預(yù)計(jì),采用光子芯片可將算力提升1000倍乃至更高。對(duì)于AI等"算力饑渴"的應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)說(shuō),光子芯片無(wú)疑將成為突破瓶頸的金鑰匙。