光子人工智慧晶片助“中國芯”換道超車
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光子算數工程師在超淨實驗室測試光子人工智慧晶片。本版圖片/受訪者供圖
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光子人工智慧晶片。光子晶片的計算速度為電子晶片的1000倍，但功耗僅為其百分之一。
算力是傳統電子人工智慧晶片的1000倍，但功耗只有其百分之一，低延遲還抗電磁干擾，由清華、北大、北交大等高校博士生創業研發的光子人工智慧晶片，在技術上實現不少突破，未來可廣泛應用於手機、自動駕駛、智慧機器人、無人機等領域。近日，該光子人工智慧晶片專案落戶順義，將這項新技術推向了臺前。
“晶片的設計、加工、封裝、測試全部在國內完成，擺脫了對國外高製程光刻機的依賴，是我國在晶片領域換道超車的核心技術。”研究團隊負責人白冰說。
具高速率、低功耗優勢
落地順義的光子人工智慧晶片出自一個由清華、北大、北交大等多所高校的在校博士生組成的創業團隊，該團隊是全國第一個，也是全球第二個光子人工智慧晶片研究團隊。
團隊負責人、光子晶片的研發者之一——白冰，目前正在北京交通大學通訊與資訊系統專業攻讀博士學位。作為國內第一個研究光子計算的團隊，白冰介紹，光子晶片具有低延遲、抗電磁干擾等優勢，計算能力是傳統晶片的三個數量級，功耗卻只有傳統晶片的百分之一。
全流程可在國內完成
對於光子人工智慧晶片發展的意義，白冰說，國內電子晶片設計領域能力很強，但在核心加工環節有一個很強的技術壁壘，需依賴國外的高製程光刻機，在成本等多個方面都會受限。光子人工智慧晶片的生產過程自主可控，全流程可在國內完成，採用國內130nm微電子工藝加工完成，擺脫了對於國外高製程光刻機的依賴，無需在工藝製程上進行追趕。
“晶片的設計、加工、封裝、測試全部在國內完成，擺脫了對國外高製程光刻機的依賴，所以說是我國在晶片領域換道超車的核心技術。”白冰說。
白冰表示，未來晶片主要還是針對人工智慧領域的應用與發展。目前光子人工智慧晶片的產品部署主要集中於裝置端，預計於2022年將光子晶片運用到雲端。
記者瞭解到，第三代半導體是北京市高精尖產業的重要內容，也是順義確定發展的三大創新型產業叢集之一。當前，順義正佈局全產業鏈，7.1萬平方米的第三代半導體材料及應用聯合創新基地已於去年12月竣工。目前，中關村科技園區順義園管理委員會已與其團隊簽約，專案正式落戶順義。
據介紹，上海也已開始光子晶片的佈局，計劃到2021年建成全國矽光子晶片研發和中試基地，到2025年量產平臺實現晶片批量供貨，成為國際知名矽光子的研發、製造基地。
釋疑1 什麼是光子人工智慧晶片？
白冰介紹，光子人工智慧晶片是指採用矽基光子整合技術，讓光提供算力，為人工智慧應用提供高效能的硬體支援。第一個層面是“人工智慧晶片”。如果一個晶片要跑得非常快、非常省電，一定是晶片的物理結構跟軟體高度匹配，這樣才能達到一個比較高的效率。包括現在的人臉識別、自動駕駛、安防監控、AI金融、AI醫療等，實際上都是一種人工智慧演算法，要設計一款晶片結構跟其特徵匹配，這就是人工智慧晶片。
第二個層面是“光子”。已有的人工智慧晶片都是電子晶片，電子晶片在計算速度和功耗方面會有瓶頸。光子人工智慧晶片是依託矽基光子整合技術，在內部用光完成矩陣運算與資料交換。它的計算過程與人工智慧演算法高度匹配，計算速度比普通電子晶片高，功耗比電子晶片低。
中科院上海微系統所所長助理、上海新微科技集團總裁秦曦曾介紹，積體電路的發展沿著摩爾定律已趨於極限，矽光子技術是超越摩爾研究領域的發展方向之一。通過矽光整合，用光代替原來的電進行傳輸，成本有可能降低到原來的十分之一，甚至更低。
釋疑2 與傳統晶片比有哪些優勢？
白冰解釋，主要有兩方面優勢。一個優勢是計算速度，光子人工智慧晶片的計算速度大概是電子晶片的三個數量級，約1000倍，單個電子晶片的計算速度大約是7.8TFlops，而光子人工智慧晶片的計算速度大概是3200TFlops。第二個優勢是功耗，光子人工智慧晶片的功耗僅為電子晶片的百分之一，單位電子晶片和耗電量大概300W，對應的光子人工智慧晶片的耗電量只有4W。
對比不同晶片在同一情境下是否具有優勢，要考慮效能功耗比、單位美元提供算力兩方面。效能功耗比是指消耗單位瓦特提供的效能，重在強調涉及多少電費，單位美元提供算力則重在強調晶片的生產成本。在這兩方面，光子人工智慧晶片比電子晶片更有優勢。
釋疑3 未來主要應用在哪些方面？
白冰表示，光子人工智慧晶片可廣泛用於手機、安防監控、自動駕駛、服務機器人、無人機、工業物聯網、企業伺服器和資料中心等關鍵人工智慧領域。比如在分揀機器人機械臂上裝上攝像頭，讓它識別有什麼東西，控制它去抓取等。
據其介紹，光子人工智慧晶片的發展得益於人工智慧的發展。光學計算晶片其實在實驗室一直存在，但它一直沒有比較好的應用場景，沒有辦法落地應用。近年來伴隨著人工智慧的興起，人工智慧的演算法特徵恰好跟光學晶片物理效能匹配，這使得光學計算有了走出實驗室、走向產業應用的機會，就是這樣一個過程。
中科院“百人計劃”專家、上海微系統所研究員餘明斌回國後也一直致力於矽光工藝平臺的建設。他認為，這是一個可能引發巨大產業新空間的前瞻性技術。