“集成光路將是半導(dǎo)體領(lǐng)域60年一遇的‘換道超車’。”近日,我國首份光子產(chǎn)業(yè)白皮書《光子時代:光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展白皮書》(以下簡稱《白皮書》)在2023全球硬科技創(chuàng)新大會上發(fā)布。前言的最后一段,寫下了這樣一句話。
2023年,乘風(fēng)大模型浪潮,作為原動力的算力成為全球焦點。但當英偉達以“賣鏟人”身份賺得盆滿缽滿的時候,危險的信號也已時時預(yù)警:一面是新一輪人工智能掀起全球算力貼身“肉搏”的緊迫現(xiàn)實,一面是電子芯片摩爾定律接近失效、高耗能、低性能情況越發(fā)突出的力不從心。
“你相信光嗎?”幾年前的語境下“光”是光伏,現(xiàn)在成了光芯片。重壓之下,傳統(tǒng)芯片捉襟見肘,但這束光能否照進現(xiàn)實實現(xiàn)曲線救國,仍需要技術(shù)和時間的驗證。
光的世紀
“科技革命沿著‘機-電-光-算’的邏輯推演,21世紀將是光的世紀。”在綜述部分,《白皮書》就做了這樣一個預(yù)判。
2023全球硬科技創(chuàng)新大會平行論壇——2023光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展暨硬科技成果轉(zhuǎn)化論壇上,《白皮書》由中科創(chuàng)星創(chuàng)始合伙人、陜西光電子先導(dǎo)院執(zhí)行院長米磊博士發(fā)布。而在2016年,米磊就曾提出過一個“米70定律”,他認為,光學(xué)技術(shù)會是未來一項非常關(guān)鍵的基礎(chǔ)技術(shù),其成本會占到未來所有科技產(chǎn)品成本的70%。
相比電子,光子的優(yōu)勢顯而易見:傳輸信息時具有極快的響應(yīng)時間,信息容量比電子高3-4個量級,具有極強的存儲、計算能力,極強的并行、互聯(lián)能力,以及超低的能耗表現(xiàn)。
這些優(yōu)勢讓光子在信息產(chǎn)業(yè)迸發(fā)出了巨大的應(yīng)用價值,聚光燈之下,光子芯片的時代同樣到來了。
近年來,隨著人工智能時代的到來,對算力的要求也水漲船高,但電子芯片已經(jīng)逼近物理和經(jīng)濟成本的極限,以至于摩爾定律失效的討論越來越多。進入2023年,大模型浪潮更在硬件供應(yīng)和算力需求暴漲的錯配下引發(fā)了“算力荒”,傳統(tǒng)電芯片越來越捉襟見肘。
而光子芯片不僅能夠?qū)ΜF(xiàn)有電子芯片性能進行大幅度提升,解決電子芯片解決不了的功耗、訪存能力和計算機整體性能等難題,還可以在信息的獲取、傳輸、處理等領(lǐng)域催生眾多新的應(yīng)用場景。
在接受北京商報記者采訪時,米磊直言,人工智能時代是由算力支撐起來的,光子芯片就是下一代算力中競爭力顯著的技術(shù),且已經(jīng)得到大廠驗證,趨勢非常明顯。
“從這個角度判斷,下一個時代將是光芯片和電芯片的融合”,米磊稱,硅光技術(shù)能夠有效提升GPU的整體性能、大幅降低其功耗,有效解決目前的算力瓶頸,“也就是說,下一代算力很可能會是光子計算甚至量子計算”。
有望突破算力天花板
9月中旬,芯片圈傳來了個大消息。臺積電將與博通、英偉達等客戶共同開發(fā)硅光子技術(shù),計劃于明年下半年開始接受訂單,預(yù)計在2025年實現(xiàn)量產(chǎn)。外界的評價是:有望突破算力天花板,成為下一代AI算力的“革命性技術(shù)”。
對于傳言的真實性,北京商報記者聯(lián)系了臺積電,但截至發(fā)稿未收到回復(fù)。不過有業(yè)內(nèi)人士告訴記者,事情本身是確定的,只是其中細節(jié)非常多,外界信息并沒有那么準確。
光電芯片從業(yè)者李樺(化名)對北京商報記者分析稱,臺積電宣傳的硅光技術(shù),就是利用硅材料的優(yōu)勢,將硅基光電芯片和集成電路做系統(tǒng)集成,提升速度。
光子與電子的結(jié)合,被視為破解算力困境的“法寶”。特別是在國內(nèi)市場電子芯片復(fù)雜、被動的處境之下,一個更迫切的問題擺在了面前:當下一輪全球科技競爭很可能聚焦在底層算力上,光子芯片能否在關(guān)鍵時刻頂上來?
事實上,理解光子芯片對于算力的跨越式支撐,其中還存在著一個概念上的“混淆”。
在接受北京商報記者采訪時,洛微科技CTO孫笑晨指出,在提升AI計算方面,光電芯片可以在兩個關(guān)鍵點發(fā)揮作用,其一是在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算本身起到加速器的作用,其二是通過芯片間更加密集的互聯(lián),增加數(shù)據(jù)傳輸帶寬,從而在系統(tǒng)層面提高AI計算的整體性能。
“AI的大規(guī)模應(yīng)用,對數(shù)據(jù)中心的算力提升有了很大的需求”,李樺稱,這里的算力指的是單位能耗下的算力,一味增加CPU數(shù)量可以提升整體算力,但是會帶來巨大的能耗。硅光技術(shù)的發(fā)展,可以提升數(shù)據(jù)中心的信息傳輸速度,并大幅度降低能耗,進而提升單位能耗下的算力。
李樺總結(jié)稱,目前在光通信領(lǐng)域,光電芯片只是提升數(shù)據(jù)傳輸效率,數(shù)據(jù)的計算依然依靠集成電路來完成。
長春理工大學(xué)科學(xué)技術(shù)研究院常務(wù)副院長蔡紅星也對北京商報記者提到,雖然在一些細分領(lǐng)域,光電芯片已經(jīng)能夠處理一些算法固定、流程簡潔的計算,不過其成熟度遠不如電子計算,尤其是在多元化的需求以及通用的人工智能計算領(lǐng)域,依然有賴于傳統(tǒng)的電子計算。
但比起跟計算本身較勁,光芯片在互聯(lián)方面發(fā)揮的作用很可能起到“曲線救國”的作用。
孫笑晨表示,當AI模型快速增大,對訓(xùn)練方面的并行和數(shù)據(jù)帶寬需求越來越高,就需要芯片間進行更高效的互聯(lián)以便提高整體性能,這種互聯(lián)包括計算卡之間的互聯(lián)、芯片間的互聯(lián)以及芯片組內(nèi)部計算和存儲單元的互聯(lián)。由于在帶寬、功耗及速度方面的絕佳優(yōu)勢,光互連成為解決帶寬需求的關(guān)鍵所在。
“這是一個完全可以預(yù)見的市場,在光互連模組和芯片方面,中國廠商也具備足夠技術(shù)實力和市場優(yōu)勢。如果在這條路線上發(fā)力推動甚至先落地的話,國產(chǎn)AI計算很可能就會在整體上達到一個有競爭力的程度。”孫笑晨補充稱,當下在提高AI計算能力方面,美國的主要技術(shù)思路仍然聚焦在了提高芯片本身性能上。
在光通信領(lǐng)域,光模塊扮演著光、電信號相互轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵角色。根據(jù)LightCounting數(shù)據(jù),2022年全球光模塊企業(yè)TOP 10中,中國企業(yè)已占據(jù)7席,其中中際旭創(chuàng)等企業(yè)已實現(xiàn)800G高速光模塊批量出貨。
計算“蹺蹺板”
在業(yè)內(nèi)看來,臺積電聯(lián)合客戶開發(fā)硅光技術(shù),瞄準的就是光通信在芯片互聯(lián)方面的巨大潛力。“在光通信領(lǐng)域,光電芯片在數(shù)據(jù)中心上的應(yīng)用,已經(jīng)占據(jù)了一半的市場份額。”有業(yè)內(nèi)人士說。
但從長遠角度來看,在互連上的應(yīng)用很可能會是光電芯片的“小目標”,其真正的星辰大海,仍然要落在計算本身。
據(jù)了解,一個巨大的AI模型中,每一層網(wǎng)絡(luò)都需要進行矩陣運算,一個大矩陣還可能需要拆成幾個小矩陣進行計算。也就是說,在大模型中,矩陣乘加運算是一個反復(fù)、循環(huán)的計算過程,每次循環(huán),矩陣上的元素權(quán)重都會被更新。
“與電子相比,光的矩陣乘加運算非???,但一涉及到權(quán)重的更新,光的速度就會變慢。”
孫笑晨稱,從實際情況來看,光計算的瓶頸其實并沒有卡在計算上,而是卡在了矩陣運算更新參數(shù)的階段,“這就像是一個蹺蹺板,解決了一部分問題,另一部分問題又翹起來了,導(dǎo)致無法從整體上實現(xiàn)跨越性的性能提高”。
這也解釋了為什么光在數(shù)學(xué)運算領(lǐng)域首先瞄準的方向是大模型的推理,而不是訓(xùn)練。因為訓(xùn)練需要海量數(shù)據(jù)的輸入,不斷重復(fù)計算動作時,效率上的問題就會更加突出。
目前業(yè)內(nèi)普遍認同,光互連會比光計算先一步落地。孫笑晨認為,在光互連領(lǐng)域,要實現(xiàn)比較有競爭力的結(jié)果,也需要產(chǎn)業(yè)界整體的認可和合作,從產(chǎn)業(yè)鏈的角度、整個系統(tǒng)的角度合力進行技術(shù)攻關(guān)和商業(yè)落地。
李樺則將關(guān)注的重點放在了光電芯片整體的規(guī)模上。他提到,與集成電路市場相比,當下光電芯片市場體量很小,這也導(dǎo)致了從事光電芯片的企業(yè),尤其是以生產(chǎn)線為主的企業(yè),單純做光電芯片的話,無法養(yǎng)活這條生產(chǎn)線,進而導(dǎo)致其無法投入更多精力做研發(fā)。
此外,如果單純聚焦在光通信領(lǐng)域,體量也仍然大不起來,再加上短期內(nèi)光計算體量很難出現(xiàn)大幅提升,除非出現(xiàn)更多應(yīng)用場景,比如傳感方面有更多的應(yīng)用,可能才會解決這個問題。
在新技術(shù)的發(fā)展過程中,需求的作用不可忽視。
在采訪中米磊說,任何一種技術(shù)取得突破,都需要長期的積累和投入,以及更長時間的轉(zhuǎn)化和落地。“當然,這些都是一些實操的問題,只要有需求,很多技術(shù)和細節(jié)都能夠慢慢解決,我們不用過于擔心量產(chǎn)或者其他的問題,從長遠看,有需求拉動的話,這些都不是問題。”
事實上,《白皮書》的開篇就做了這樣一個結(jié)論:“對我國而言,既要在電子芯片領(lǐng)域盡快補短板,也要盡早在光子芯片等新賽道布局發(fā)力。雙管齊下,抓住新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的機遇,未來才有望實現(xiàn)‘非對稱趕超’。”
原標題:換道超車 光芯片的能與不能