“集成光路将是半導體(tǐ)領域60年一遇的‘換道(dào)超車(chē)’。”近日，我國首份光子産業白皮書(shū)《光子時(shí)代：光子産業發展白皮書(shū)》（以下簡稱《白皮書(shū)》）在2023全球硬科技(jì)創新大(dà)會(huì)上(shàng)發布。前言的最後一段，寫下了這樣一句話(huà)。
2023年，乘風大(dà)模型浪潮，作(zuò)為(wèi)原動力的算(suàn)力成為(wèi)全球焦點。但(dàn)當英偉達以“賣鏟人(rén)”身份賺得(de)盆滿缽滿的時(shí)候，危險的信号也已時(shí)時(shí)預警：一面是新一輪人(rén)工智能掀起全球算(suàn)力貼身“肉搏”的緊迫現實，一面是電(diàn)子芯片摩爾定律接近失效、高(gāo)耗能、低(dī)性能情況越發突出的力不從心。
“你(nǐ)相信光嗎？”幾年前的語境下“光”是光伏，現在成了光芯片。重壓之下，傳統芯片捉襟見肘，但(dàn)這束光能否照進現實實現曲線救國，仍需要技(jì)術(shù)和(hé)時(shí)間(jiān)的驗證。
光的世紀
“科技(jì)革命沿着‘機-電(diàn)-光-算(suàn)’的邏輯推演，21世紀将是光的世紀。”在綜述部分，《白皮書(shū)》就做(zuò)了這樣一個(gè)預判。
2023全球硬科技(jì)創新大(dà)會(huì)平行(xíng)論壇——2023光子産業發展暨硬科技(jì)成果轉化論壇上(shàng)，《白皮書(shū)》由中科創星創始合夥人(rén)、陝西光電(diàn)子先導院執行(xíng)院長米磊博士發布。而在2016年，米磊就曾提出過一個(gè)“米70定律”，他認為(wèi)，光學技(jì)術(shù)會(huì)是未來(lái)一項非常關鍵的基礎技(jì)術(shù)，其成本會(huì)占到未來(lái)所有(yǒu)科技(jì)産品成本的70％。
相比電(diàn)子，光子的優勢顯而易見：傳輸信息時(shí)具有(yǒu)極快的響應時(shí)間(jiān)，信息容量比電(diàn)子高(gāo)3-4個(gè)量級，具有(yǒu)極強的存儲、計(jì)算(suàn)能力，極強的并行(xíng)、互聯能力，以及超低(dī)的能耗表現。
這些(xiē)優勢讓光子在信息産業迸發出了巨大(dà)的應用價值，聚光燈之下，光子芯片的時(shí)代同樣到來(lái)了。
近年來(lái)，随着人(rén)工智能時(shí)代的到來(lái)，對算(suàn)力的要求也水(shuǐ)漲船(chuán)高(gāo)，但(dàn)電(diàn)子芯片已經逼近物理(lǐ)和(hé)經濟成本的極限，以至于摩爾定律失效的討(tǎo)論越來(lái)越多(duō)。進入2023年，大(dà)模型浪潮更在硬件供應和(hé)算(suàn)力需求暴漲的錯配下引發了“算(suàn)力荒”，傳統電(diàn)芯片越來(lái)越捉襟見肘。
而光子芯片不僅能夠對現有(yǒu)電(diàn)子芯片性能進行(xíng)大(dà)幅度提升，解決電(diàn)子芯片解決不了的功耗、訪存能力和(hé)計(jì)算(suàn)機整體(tǐ)性能等難題，還(hái)可(kě)以在信息的獲取、傳輸、處理(lǐ)等領域催生(shēng)衆多(duō)新的應用場(chǎng)景。
米磊直言，人(rén)工智能時(shí)代是由算(suàn)力支撐起來(lái)的，光子芯片就是下一代算(suàn)力中競争力顯著的技(jì)術(shù)，且已經得(de)到大(dà)廠驗證，趨勢非常明(míng)顯。
“從這個(gè)角度判斷，下一個(gè)時(shí)代将是光芯片和(hé)電(diàn)芯片的融合”，米磊稱，矽光技(jì)術(shù)能夠有(yǒu)效提升GPU的整體(tǐ)性能、大(dà)幅降低(dī)其功耗，有(yǒu)效解決目前的算(suàn)力瓶頸，“也就是說，下一代算(suàn)力很(hěn)可(kě)能會(huì)是光子計(jì)算(suàn)甚至量子計(jì)算(suàn)”。
有(yǒu)望突破算(suàn)力天花(huā)闆
9月中旬，芯片圈傳來(lái)了個(gè)大(dà)消息。台積電(diàn)将與博通(tōng)、英偉達等客戶共同開(kāi)發矽光子技(jì)術(shù)，計(jì)劃于明(míng)年下半年開(kāi)始接受訂單，預計(jì)在2025年實現量産。外界的評價是：有(yǒu)望突破算(suàn)力天花(huā)闆，成為(wèi)下一代AI算(suàn)力的“革命性技(jì)術(shù)”。
對于傳言的真實性未收到回複。不過有(yǒu)業內(nèi)人(rén)士告訴記者，事情本身是确定的，隻是其中細節非常多(duō)，外界信息并沒有(yǒu)那(nà)麽準确。
光電(diàn)芯片從業者李桦（化名）分析稱，台積電(diàn)宣傳的矽光技(jì)術(shù)，就是利用矽材料的優勢，将矽基光電(diàn)芯片和(hé)集成電(diàn)路做(zuò)系統集成，提升速度。
光子與電(diàn)子的結合，被視(shì)為(wèi)破解算(suàn)力困境的“法寶”。特别是在國內(nèi)市場(chǎng)電(diàn)子芯片複雜、被動的處境之下，一個(gè)更迫切的問題擺在了面前：當下一輪全球科技(jì)競争很(hěn)可(kě)能聚焦在底層算(suàn)力上(shàng)，光子芯片能否在關鍵時(shí)刻頂上(shàng)來(lái)？
事實上(shàng)，理(lǐ)解光子芯片對于算(suàn)力的跨越式支撐，其中還(hái)存在着一個(gè)概念上(shàng)的“混淆”。
洛微科技(jì)CTO孫笑晨指出，在提升AI計(jì)算(suàn)方面，光電(diàn)芯片可(kě)以在兩個(gè)關鍵點發揮作(zuò)用，其一是在神經網絡計(jì)算(suàn)本身起到加速器(qì)的作(zuò)用，其二是通(tōng)過芯片間(jiān)更加密集的互聯，增加數(shù)據傳輸帶寬，從而在系統層面提高(gāo)AI計(jì)算(suàn)的整體(tǐ)性能。
“AI的大(dà)規模應用，對數(shù)據中心的算(suàn)力提升有(yǒu)了很(hěn)大(dà)的需求”，李桦稱，這裏的算(suàn)力指的是單位能耗下的算(suàn)力，一味增加CPU數(shù)量可(kě)以提升整體(tǐ)算(suàn)力，但(dàn)是會(huì)帶來(lái)巨大(dà)的能耗。矽光技(jì)術(shù)的發展，可(kě)以提升數(shù)據中心的信息傳輸速度，并大(dà)幅度降低(dī)能耗，進而提升單位能耗下的算(suàn)力。
李桦總結稱，目前在光通(tōng)信領域，光電(diàn)芯片隻是提升數(shù)據傳輸效率，數(shù)據的計(jì)算(suàn)依然依靠集成電(diàn)路來(lái)完成。
長春理(lǐ)工大(dà)學科學技(jì)術(shù)研究院常務副院長蔡紅星也提到，雖然在一些(xiē)細分領域，光電(diàn)芯片已經能夠處理(lǐ)一些(xiē)算(suàn)法固定、流程簡潔的計(jì)算(suàn)，不過其成熟度遠不如電(diàn)子計(jì)算(suàn)，尤其是在多(duō)元化的需求以及通(tōng)用的人(rén)工智能計(jì)算(suàn)領域，依然有(yǒu)賴于傳統的電(diàn)子計(jì)算(suàn)。
但(dàn)比起跟計(jì)算(suàn)本身較勁，光芯片在互聯方面發揮的作(zuò)用很(hěn)可(kě)能起到“曲線救國”的作(zuò)用。
孫笑晨表示，當AI模型快速增大(dà)，對訓練方面的并行(xíng)和(hé)數(shù)據帶寬需求越來(lái)越高(gāo)，就需要芯片間(jiān)進行(xíng)更高(gāo)效的互聯以便提高(gāo)整體(tǐ)性能，這種互聯包括計(jì)算(suàn)卡之間(jiān)的互聯、芯片間(jiān)的互聯以及芯片組內(nèi)部計(jì)算(suàn)和(hé)存儲單元的互聯。由于在帶寬、功耗及速度方面的絕佳優勢，光互連成為(wèi)解決帶寬需求的關鍵所在。
“這是一個(gè)完全可(kě)以預見的市場(chǎng)，在光互連模組和(hé)芯片方面，中國廠商也具備足夠技(jì)術(shù)實力和(hé)市場(chǎng)優勢。如果在這條路線上(shàng)發力推動甚至先落地的話(huà)，國産AI計(jì)算(suàn)很(hěn)可(kě)能就會(huì)在整體(tǐ)上(shàng)達到一個(gè)有(yǒu)競争力的程度。”孫笑晨補充稱，當下在提高(gāo)AI計(jì)算(suàn)能力方面，美國的主要技(jì)術(shù)思路仍然聚焦在了提高(gāo)芯片本身性能上(shàng)。
在光通(tōng)信領域，光模塊扮演着光、電(diàn)信号相互轉化的關鍵角色。根據LightCounting數(shù)據，2022年全球光模塊企業TOP 10中，中國企業已占據7席，其中中際旭創等企業已實現800G高(gāo)速光模塊批量出貨。
計(jì)算(suàn)“跷跷闆”
在業內(nèi)看來(lái)，台積電(diàn)聯合客戶開(kāi)發矽光技(jì)術(shù)，瞄準的就是光通(tōng)信在芯片互聯方面的巨大(dà)潛力。“在光通(tōng)信領域，光電(diàn)芯片在數(shù)據中心上(shàng)的應用，已經占據了一半的市場(chǎng)份額。”有(yǒu)業內(nèi)人(rén)士說。
但(dàn)從長遠角度來(lái)看，在互連上(shàng)的應用很(hěn)可(kě)能會(huì)是光電(diàn)芯片的“小(xiǎo)目标”，其真正的星辰大(dà)海，仍然要落在計(jì)算(suàn)本身。
據了解，一個(gè)巨大(dà)的AI模型中，每一層網絡都需要進行(xíng)矩陣運算(suàn)，一個(gè)大(dà)矩陣還(hái)可(kě)能需要拆成幾個(gè)小(xiǎo)矩陣進行(xíng)計(jì)算(suàn)。也就是說，在大(dà)模型中，矩陣乘加運算(suàn)是一個(gè)反複、循環的計(jì)算(suàn)過程，每次循環，矩陣上(shàng)的元素權重都會(huì)被更新。
“與電(diàn)子相比，光的矩陣乘加運算(suàn)非常快，但(dàn)一涉及到權重的更新，光的速度就會(huì)變慢。”
孫笑晨稱，從實際情況來(lái)看，光計(jì)算(suàn)的瓶頸其實并沒有(yǒu)卡在計(jì)算(suàn)上(shàng)，而是卡在了矩陣運算(suàn)更新參數(shù)的階段，“這就像是一個(gè)跷跷闆，解決了一部分問題，另一部分問題又翹起來(lái)了，導緻無法從整體(tǐ)上(shàng)實現跨越性的性能提高(gāo)”。
這也解釋了為(wèi)什麽光在數(shù)學運算(suàn)領域首先瞄準的方向是大(dà)模型的推理(lǐ)，而不是訓練。因為(wèi)訓練需要海量數(shù)據的輸入，不斷重複計(jì)算(suàn)動作(zuò)時(shí)，效率上(shàng)的問題就會(huì)更加突出。
目前業內(nèi)普遍認同，光互連會(huì)比光計(jì)算(suàn)先一步落地。孫笑晨認為(wèi)，在光互連領域，要實現比較有(yǒu)競争力的結果，也需要産業界整體(tǐ)的認可(kě)和(hé)合作(zuò)，從産業鏈的角度、整個(gè)系統的角度合力進行(xíng)技(jì)術(shù)攻關和(hé)商業落地。
李桦則将關注的重點放在了光電(diàn)芯片整體(tǐ)的規模上(shàng)。他提到，與集成電(diàn)路市場(chǎng)相比，當下光電(diàn)芯片市場(chǎng)體(tǐ)量很(hěn)小(xiǎo)，這也導緻了從事光電(diàn)芯片的企業，尤其是以生(shēng)産線為(wèi)主的企業，單純做(zuò)光電(diàn)芯片的話(huà)，無法養活這條生(shēng)産線，進而導緻其無法投入更多(duō)精力做(zuò)研發。
此外，如果單純聚焦在光通(tōng)信領域，體(tǐ)量也仍然大(dà)不起來(lái)，再加上(shàng)短(duǎn)期內(nèi)光計(jì)算(suàn)體(tǐ)量很(hěn)難出現大(dà)幅提升，除非出現更多(duō)應用場(chǎng)景，比如傳感方面有(yǒu)更多(duō)的應用，可(kě)能才會(huì)解決這個(gè)問題。
在新技(jì)術(shù)的發展過程中，需求的作(zuò)用不可(kě)忽視(shì)。
在采訪中米磊說，任何一種技(jì)術(shù)取得(de)突破，都需要長期的積累和(hé)投入，以及更長時(shí)間(jiān)的轉化和(hé)落地。“當然，這些(xiē)都是一些(xiē)實操的問題，隻要有(yǒu)需求，很(hěn)多(duō)技(jì)術(shù)和(hé)細節都能夠慢慢解決，我們不用過于擔心量産或者其他的問題，從長遠看，有(yǒu)需求拉動的話(huà)，這些(xiē)都不是問題。”
事實上(shàng)，《白皮書(shū)》的開(kāi)篇就做(zuò)了這樣一個(gè)結論：“對我國而言，既要在電(diàn)子芯片領域盡快補短(duǎn)闆，也要盡早在光子芯片等新賽道(dào)布局發力。雙管齊下，抓住新一輪科技(jì)革命和(hé)産業變革的機遇，未來(lái)才有(yǒu)望實現‘非對稱趕超’。”
來(lái)源：北京商報 作(zuò)者：楊月涵
