數量級效率優勢，原生適配AI計算：光晶片的下一個技術突破要來了
機器之心發表於2021-12-09
近年來，人工智慧等技術的快速發展讓計算機的算力需求暴增，但隨著摩爾定律失效，傳統晶片效能提升速度卻開始大幅放緩。全世界都在尋找新的解決方法，光晶片的發展正讓人看到希望。我們經常會看到光晶片技術、光學神經網路的研究登上 Nature 和 Science 等頂尖科學雜誌。在一些研究中科學家們指出，光學開關的速度要比現在商用的頂級矽晶片的電晶體快 100 到 1000 倍。
相比如今頂級 CPU 每代效能約 20% 的提升水平，光晶片可能帶來的提升非常誇張，這種技術距離實用化究竟有多遠？科學家和創業者那裡都有著不同的說法，從工作原理上看，它的確具有傳統電子晶片所不具備的諸多能力。在我們熟悉的常規計算機上，晶片電晶體會透過在兩種電狀態之間切換來將資料表示為 1 或 0，進而執行各種邏輯運算，為複雜的軟體提供算力。而在光晶片（photonic chip）上，我們可以將數字或模擬訊號編碼在光的相位或強度上，光在晶片中傳播的同時完成計算，運算速度比普通計算機要快很多。光晶片對工藝尺寸要求也不苛刻，目前研究者們採用的主流工藝是 40nm ，甚至更早的工藝，而且穩定性良好，資訊傳輸不受溫度、磁場等常見環境因素影響。
使用光進行計算的想法可以追溯到 1950 年代。但隨著技術的發展，電子計算機成為了商業化鋪開的選擇。1980 年代，貝爾實驗室曾嘗試製造通用化的光晶片，但由於構建可工作的光學電晶體過於困難而失敗。最近幾年，人們又完成了一系列光晶片的研究，終於實現了技術突破。2006 年，英特爾推出首款標準 CMOS 工藝的電子混合矽鐳射器，基於此技術的超高頻寬光學傳輸架構成為了高效能資料中心的研究方向，人們希望透過光傳輸降低資料中心的頻寬瓶頸。
在英偉達 GTC 2021 大會上，計算機架構專家 Bill Dally 設想了未來的光學 DGX，其中 GPU 透過有機封裝與電子積體電路進行通訊，解決了晶片間的互聯頻寬問題。更加接近實用化的光計算晶片則在近兩年被人們提出。2017 年 6 月，麻省理工學院的一個研究小組嘗試將「光子計算」與「人工智慧」結合，研究發表在自然 · 光子學子刊的封面文章《Deep learning with coherent nanophotonic circuits》上。MIT 團隊提出了一種以光子方式代替 CPU 和 GPU 進行 AI 計算的方法，其使用了多束光線，它們的波相互作用產生干涉圖案，傳達預期操作的結果。研究人員把這種裝置稱為可程式設計奈米光子處理器（Programmable Nanophotonic Processor）。
MIT 提出的光處理器方法中，光干擾單元的示意圖。該處理器使用一個波導陣列，可以根據需要修改相互連線的方式，為特定的計算編寫一組波束。在應用中，它可以以典型的人工智慧演算法執行計算，但速度要比在傳統矽晶片上快得多。MIT 在研究中展示，利用光計算的獨特優勢，全光學神經網路的計算速度可以比傳統方法速度提升至少兩個數量級，能耗效率提升三個數量級。該研究不僅提出了一種可行性高的光晶片方向，又驗證了其正好適用於 AI 計算這一算力需求極高的領域。在此之後，光晶片進入了加速發展的階段。大學實驗室和一些創業公司提出的光晶片大多遵循這樣的正規化，它們看起來大體和普通計算機晶片相同，但內含一些光波導 。它們透過在微小的通道內分裂和混合光束來進行計算，光線的尺度小至奈米。在硬體底層，電晶片協調光子的部分功能，並提供臨時記憶體儲存。在光晶片完成實驗室階段的展示後，演算法、匯流排和儲存等方面的研究也正在進行中，一些光晶片已經可以與資料中心適配，並與大多數主要深度學習框架配合使用。在致力於研發光晶片的創業公司行列中，曦智科技可謂一股重要力量。2017 年，完成自然子刊封面研究的麻省理工學院研究團隊成員成立了全球首家光晶片創業公司曦智科技（Lightelligence），論文的第一作者沈亦晨任聯合創始人兼 CEO。 2019 年 4 月，曦智科技正式釋出了全球首款光子晶片原型板卡，成功將此前需要佔據半個實驗室的完整光子計算系統整合到了常規大小的板卡上。這塊晶片成功執行了 MNIST 資料集的影像識別任務，其準確率已接近電子晶片（97%以上）。曦智科技成功解決了光晶片處理準確性的問題。在測試中，整個模型超過 95% 的運算是在光子晶片上完成的，其處理準確率已接近電子晶片 (97% 以上)，而完成矩陣乘法的用時則可縮短至最先進的電子晶片的 1/100 以內。
這家起源於整合光子計算突破性研究的公司，迄今為止已籌集了超過 1.1 億美元融資。其團隊一直在致力於構建世界上最廣泛的整合光子系統。最近，光晶片領域即將迎來新的技術進展。12 月 15 日晚 7 點整，曦智科技將會直播發布其最新光子計算處理器，用光子技術突破積體電路的產業邊界，展示光子計算的優越性，以及光子技術改變世界的巨大力量。
光子晶片的速度究竟有多快，下週三晚即將揭曉。