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單芯片集成上萬光子器件，成功驗證光子計算優(yōu)越性。
芯東西12月16日報道，今日，光子計算芯片公司曦智科技（Lightelligence）就最新推出的第二代光子計算處理器PACE與芯東西等媒體進行交流。
隨著半導體制程微縮逐漸接近物理極限，電子芯片面臨的能耗、傳輸、存儲等方面的挑戰(zhàn)越來越大，兼具高通量（單通道數(shù)據(jù)傳輸>1TB/s）、高能效比（無需電加熱過程）、超低延遲（以光速在計算）的硅光技術成為新興技術方向之一。
據(jù)悉，曦智科技PACE在單個光子芯片中集成超過10000個光子器件，運行1GHz系統(tǒng)時鐘，算力是上一代處理器的100萬倍以上，在運行特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡時比目前高端GPU提速超100倍。
曦智科技創(chuàng)立于2017年，是全球光計算賽道融資規(guī)模最高的公司，累計融資總額超10億元。目前曦智科技擁有全球全職員工近200人，其中技術人員占比超80%，70%的芯片設計師擁有10年以上半導體從業(yè)經(jīng)驗。
2017年6月，曦智科技創(chuàng)始人、CEO沈亦晨博士作為第一作者和通訊作者的論文發(fā)表于國際學術頂刊《自然·光子》封面，正是這一研究開創(chuàng)性地提出了光子AI計算新路徑，并吸引了十幾家初創(chuàng)公司相繼成立。沈亦晨相信，光子芯片“極有可能成為我們這個時代最重要的技術創(chuàng)新之一”。他透露道目前曦智科技團隊正全力準備計劃于2022年推出的新產(chǎn)品，在產(chǎn)品籌備期間，曦智科技將繼續(xù)與半導體供應鏈、云計算、金融、自動駕駛等行業(yè)的領導者開展合作，以驗證光子計算的可行性和通用性。
在被問及后續(xù)規(guī)劃時，沈亦晨告訴芯東西，作為顛覆性技術，光子計算技術需要經(jīng)歷漫長的商業(yè)化過程，曦智科技接下來的規(guī)劃分為三個階段：第一階段從2022年開始，1~3年主要落地于特別能體現(xiàn)光技術優(yōu)勢的應用場景；第二階段，隨著產(chǎn)品在不同場景展現(xiàn)出明確的優(yōu)勢后，將有更大規(guī)模的團隊做訓練；第三階段，隨著硬件和軟件體系更加成熟，進一步切入GPU、車載芯片等對算力需求非常大的市場。
01.單芯片集成超10000個光子器件，率先落地云計算等場景
2019年4月，曦智科技推出全球首款光子芯片原型板卡，它通過運行神經(jīng)網(wǎng)絡模型來識別手寫數(shù)字圖像，當時其芯片中大約有100個光子元器件，運行速度約為100kHz，完成矩陣乘法所用時間是當時最先進電子芯片的1%以內。但這還遠未實現(xiàn)光子計算的全部潛力，要將光學矩陣的理論優(yōu)勢變?yōu)楝F(xiàn)實，需要大量持續(xù)的研發(fā)工作，一個關鍵問題是如何將大量的光子和電子器件集成在一起。
據(jù)曦智科技聯(lián)合創(chuàng)始人、CTO孟懷宇博士分享，一個商用級的光學矩陣引擎可能會包含數(shù)以萬計的光子器件，曦智科技的解決方案是自研大規(guī)模集成硅光芯片和電子芯片，然后使用先進封裝工藝將它們堆疊在一起。經(jīng)過兩年研發(fā)，曦智科技推出其第二代光子計算處理器——PACE（the Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計算引擎）。
這是曦智科技技術路線中的一個重要里程碑，首次驗證了光子計算的優(yōu)越性，也是首次展示了光子計算在人工智能和深度學習之外的應用案例。 沈亦晨認為，光電混合計算的重要技術演進點，是不斷增加單個光芯片上的器件集成度。因此過去四年，曦智科技將最早4x4光子矩陣乘法的十幾個光器件集成在一個芯片上，提升到此次PACE單芯片集成上萬個器件，提高大約3個數(shù)量級。
PACE內含目前已知的全球集成度最高的光子芯片，實現(xiàn)了在單個芯片中集成超過10000個光子器件，運行系統(tǒng)時鐘達1GHz，單芯片算力是上一代處理器的超100萬倍。測試顯示，運行特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡時，PACE的運算速度可達目前高端GPU的上百倍。
曦智科技也準備開源軟件源代碼，供感興趣者用各種硬件去做比較。在落地方面，曦智科技首先切入云計算、智能駕駛、量化交易、生物醫(yī)藥等應用場景，目前已與全球前五大云服務供應商之一、美國前三大商業(yè)銀行之一有深度合作。
02.采用3D封裝堆疊技術，兼具高能效、低時延、高通量
光技術適合用于解決現(xiàn)有電芯片普遍面臨的能耗瓶頸、傳輸瓶頸、存儲瓶頸。在數(shù)據(jù)搬運方面，光已在光通訊領域充分證明了其技術的領先性和優(yōu)勢，目前所有長距離通訊，包括數(shù)據(jù)中心里服務器與服務器之間的數(shù)據(jù)，都是通過光纖來代替導線進行的，光進一步進入到芯片中參與運算也成一種趨勢。
另一方面，現(xiàn)在大數(shù)據(jù)越來越大的比例是在做線性運算，而曦智科技發(fā)明了一種用光有效、高效地做線性計算的方式，這是其另一個重要優(yōu)勢。當光在非均勻介質中傳播和散射時，其形態(tài)類似于某種形式的數(shù)學線性運算。
曦智科技利用光執(zhí)行向量矩陣算法（簡稱matmul），當光進入系統(tǒng)時，它會被一組光學調制器編碼以形成輸入光矢量，然后它便進入可編程光學散射介質的區(qū)域，輸入光矢量經(jīng)過矩陣后，輸出光矢量自然就代表了矩陣乘法的結果。
由于矩陣乘法本身是被動的，這個過程中不會消耗任何能量，此外矩陣乘法是在光通過矩陣所需的時間內完成的，僅需幾分之一納秒，最后高能效和低時延性能與輸入光信號的頻率無關，這就意味著光矩陣可以支持高通量。
總結來說，高能效、低時延、高通量是光學矩陣運算能夠超越摩爾定律、繼續(xù)提升算力的關鍵。
需強調的是，PACE是一個光電混合計算系統(tǒng)，而非純光子計算，光芯片更多承接線性計算和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡等主要任務，由電芯片發(fā)出指令以及與客戶交互，這使得PACE能與現(xiàn)有市場軟件環(huán)境兼容。
PACE包含64x64的光學矩陣，核心部分由一塊集成硅光芯片和一塊CMOS微電子芯片以3D封裝形式倒裝堆疊而成，充分展示了光子芯片與傳統(tǒng)電子芯片無縫協(xié)同的運作方式。其電子芯片包含數(shù)字電路和模擬電路。數(shù)字電路部分由控制邏輯和SRAM組成，前者負責調節(jié)數(shù)據(jù)流和輸入輸出，后者用于片上數(shù)據(jù)存儲。
模擬電路部分則是數(shù)字邏輯和光子器件之間的橋梁。對于每個光學矩陣乘法，輸入向量值首先從片上SRAM中提取，由數(shù)模轉換器轉換為模擬值，然后通過電子芯片和光子芯片之間的微凸點應用于相應的光調制器，光調制器相應地減弱入射光，形成輸入光矢量。
整個64x64光學矩陣用類似機制進行編碼。接著輸入光矢量通過光矩陣傳播，產(chǎn)生輸出光矢量，并達到一組光電探測器陣列，從而將光強轉換為電流信號，最后電信號通過微凸點返回到電子芯片，通過跨阻放大器和數(shù)模轉換器返回數(shù)字域。
PACE上共有數(shù)千個微凸點來幫助電子芯片和光子芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。除了3D封裝的光子和電子芯片外，PACE還使用了光纖陣列連接激光源，整個組件被安裝在了一塊PCIe卡尺寸的PCB板上，如電源系統(tǒng)輸入輸出連接器等外圍部件也都連接到PCB板上。
值得注意的是，最新發(fā)布的PACE芯片，不是為了在通用性上證明跑所有神經(jīng)網(wǎng)絡，更多是要證明光計算優(yōu)勢的上限或潛力。之所以選擇循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡，是因為其相對獨立地將矩陣優(yōu)勢發(fā)揮出來，沈亦晨透露說，明年曦智科技可能會推出一個更通用化的產(chǎn)品。
03.可用于解決NP-complete問題
PACE可用于解決組合問題，通過重復矩陣乘法和巧妙利用受控噪聲組成的緊密回環(huán)來實現(xiàn)低延遲，生成如伊辛問題（Ising）和最大割/最小割問題（Max-cut/Min-cut）的高質量解決方案。這些困擾了全球數(shù)學家近50年的難題，屬于多項式復雜程度的非確定性問題（NP-complete），即在多項式時間尺度下無法通過數(shù)學方法解決的問題。
相關算法被廣泛應用于生物信息、交通調度、電路設計、材料發(fā)現(xiàn)等領域。而一旦一個NP-complete問題得到解決，就可以相對容易地將解決方法映射到其他NP-complete問題上。
最大割問題便是一個很好的例子。假設有一組頂點，用邊將它們連接起來，形成不規(guī)則的圖形，如果將定點分成兩個互補的子集，那么它們之間會有一些邊，兩個子集之間邊最多的分組方法成為最大割。最大割的另一個等價定義是，兩個子集內部邊最少的分組方法，曦智科技選擇用迭代法來解決最大割問題，解決這個問題需要用到大量的連續(xù)矩陣乘法，而低功耗、低時延的光學矩陣非常適合這種計算。
在這個動畫中，定點用兩種顏色標記，代表兩個子集，連接相同顏色定點的邊在顏色對應的子集的內部，它們也標有相應的顏色。其目標是最小化彩色邊緣的數(shù)量。迭代過程從隨機顏色分組開始。初始情況下，許多邊是彩色的，每次迭代時，頂點的顏色分組都會發(fā)生變化，使得著色的邊的數(shù)量變少，曦智科技有意加入了噪聲信號，這個過程會經(jīng)常往復。最終，顏色分組將收斂到最大割，每次迭代都會執(zhí)行一次光學矩陣運算。由于光學矩陣的超低時延，PACE的運算速度比高端GPU要快數(shù)百倍。
04.從光計算到光互連，曦智科技的三大硬核技術
曦智科技工程副總裁Maurice Steinman是一位擁有超過24次成功流片和產(chǎn)品介紹經(jīng)驗的行業(yè)老將，是SoC架構、SoC互聯(lián)、內存子系統(tǒng)和電源管理方面的專家。他曾先后任職于Digital、康柏、惠普、英特爾等公司，并在AMD擔任Senior Fellow和首席架構師，曾主持開發(fā)了被譽為AMD芯片基石的用于高通量信息傳輸?shù)钠炫灝a(chǎn)品infinity fabric總線。
Maurice Steinman談道，PACE已成功驗證了曦智科技產(chǎn)品路線中的光計算模塊，另一重要模塊則是光互連。“我們的光互連技術可用于多種傳輸介質，包括光纜以及在芯片、中介層和晶圓層面集成的波導，并提供高通量、低時延和高能效的數(shù)據(jù)傳輸和互連，光計算和光互連技術的結合為面向加速器、服務器和數(shù)據(jù)中心需求的高性能產(chǎn)品奠定了堅實的基礎。”
總體來看，曦智科技的技術主要分成三大部分：oMAC-光學乘積累加運算、oNOC-片上光網(wǎng)絡、oNET-片間光網(wǎng)絡。
（1）oMAC-光學乘積累加運算：這是一種模擬計算，用光替代傳統(tǒng)電子進行數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)可加載在光的強度或相位上，數(shù)據(jù)流動的同時進行計算。oMAC執(zhí)行線性運算也可理解為矩陣-矩陣或矩陣-向量之間的乘法。其實現(xiàn)方式是采用與CMOS兼容的硅光工藝平臺，光-電協(xié)同設計，結合先進封裝技術；采用高速可調、小尺寸電光調制器設計；通過新穎的計算架構-基于MZI結構的相干/非相干方案，來做光與光之間干涉；最后硬件-算法的協(xié)同優(yōu)化。它的優(yōu)勢在于光計算并行能力更強，能效媲美甚至更優(yōu)于電子芯片，且延遲超低。此外，硅光對工藝制程要求和成本很低，比如一個65nm或45nm的CMOS工藝器件就能滿足現(xiàn)在光子計算所有的要求，其制造工藝成本遠低于電芯片。
（2）oNOC-片上光網(wǎng)絡：通過波導代替銅導線的方式，讓數(shù)據(jù)在光芯片網(wǎng)絡中傳遞，可實現(xiàn)單個電芯片（EIC) 內部的數(shù)據(jù)傳輸、封裝內部多個電芯片 (EIC) 之間的數(shù)據(jù)通信。其實現(xiàn)方式是在光芯片上構建一個固定或可靈活調整的通訊網(wǎng)絡拓撲，將不同的電芯片與其中單個或多個節(jié)點相連，實現(xiàn)基于oNOC的數(shù)據(jù)交互；采用形式有基于光廣播的網(wǎng)絡拓撲和基于波分復用的網(wǎng)絡拓撲。它的主要優(yōu)勢是高帶寬、低能耗、低延遲、距離不敏感。另外，該方法通用性強，可將不同類型的電子芯片與之結合，為芯片間提供高速、低能耗的互連，適用于有高帶寬需求的應用場景。
（3）oNET-片間光網(wǎng)絡：光芯片起到類似optical BUS的作用，將單元內部需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)集中起來，通過光傳播介質（如光纖）與其他單元進行數(shù)據(jù)交互。該技術主要用于優(yōu)化計算單元之間的通信效率。相比傳統(tǒng)電互連，光網(wǎng)絡的能效比高、光學傳播損耗低、帶寬高、延遲低，且傳輸距離不敏感。
其實現(xiàn)方式如圖，D-EIC是數(shù)據(jù)處理單元也是數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端，A-EIC是模擬電芯片，協(xié)同PIC對需要發(fā)送或者接受的信號進行處理，實現(xiàn)信號的光-電與電-光轉換。發(fā)送時，數(shù)據(jù)由D-EIC→A-EIC（穿過PIC）→PIC→外部；接收時，數(shù)據(jù)由外部→PIC→A-EIC→D-EIC（穿過PIC）。
05.結語：光子計算芯片的商用序幕拉開
總的來看，曦智科技的新一代PACE處理器利用光的基本特性，進行高效節(jié)能的算術計算與數(shù)據(jù)傳輸，以此應對傳統(tǒng)電子架構面臨的數(shù)據(jù)通信和算力挑戰(zhàn)。
光子計算不是靠堆錢就能用最好工藝、成熟設計流程做出來的，它需要付諸相當長的研發(fā)努力，從器件設計、封裝方式到軟硬一體化總體優(yōu)化都需要時間積累，不是一蹴而就的事情，因而先發(fā)優(yōu)勢非常重要，這也是曦智科技的核心競爭力。
沈亦晨相信，任何一家公司，無論資本多么雄厚，如果從現(xiàn)在開始做，要做出PACE這樣的產(chǎn)品，至少需要三年的時間。另一方面，從成立至今，曦智科技已經(jīng)組建了全球最強、最完整的做光電混合計算的團隊，從硅光到數(shù)字、模擬、軟件，這個團隊已經(jīng)充分磨合四年，這也是曦智科技所積累最大的財富。
當然，新技術往往面臨很多挑戰(zhàn)，需要付出長久的研發(fā)努力。如今光子計算這個新興賽道正越來越受到認可，更多創(chuàng)企及大公司開始參與進來。在生態(tài)方面，曦智科技先在軟件方面兼容現(xiàn)有生態(tài)，后續(xù)還將通過合作，推動供應鏈走向成熟。
