换道超车 光芯片的能与不能

“集成光路将是半导体领域60年一遇的‘换道超车’。”近日，我国首份光子产业白皮书《光子时代：光子产业发展白皮书》（以下简称《白皮书》）在2023全球硬科技创新大会上发布。前言的最后一段，写下了这样一句话。

2023年，乘风大模型浪潮，作为原动力的算力成为全球焦点。但危险的信号也已时时预警：一面是新一轮人工智能掀起全球算力贴身“肉搏”的紧迫现实，一面是电子芯片摩尔定律接近失效、高耗能、低性能情况越发突出的力不从心。

“你相信光吗？”几年前的语境下“光”是光伏，现在成了光芯片。重压之下，传统芯片捉襟见肘，但这束光能否照进现实实现曲线救国，仍需要技术和时间的验证。

光的世纪

“科技革命沿着‘机-电-光-算’的逻辑推演，21世纪将是光的世纪。”在综述部分，《白皮书》就做了这样一个预判。

2023全球硬科技创新大会平行论坛——2023光子产业发展暨硬科技成果转化论坛上，《白皮书》由中科创星创始合伙人、陕西光电子先导院执行院长米磊博士发布。而在2016年，米磊就曾提出过一个“米70定律”，他认为，光学技术会是未来一项非常关键的基础技术，其成本会占到未来所有科技产品成本的70%。

相比电子，光子的优势显而易见：传输信息时具有极快的响应时间，信息容量比电子高3-4个量级，具有极强的存储、计算能力，极强的并行、互联能力，以及超低的能耗表现。

这些优势让光子在信息产业迸发出了巨大的应用价值，聚光灯之下，光子芯片的时代同样到来了。

近年来，随着人工智能时代的到来，对算力的要求也水涨船高，但电子芯片已经逼近物理和经济成本的极限，以至于摩尔定律失效的讨论越来越多。进入2023年，大模型浪潮更在硬件供应和算力需求暴涨的错配下引发了“算力荒”，传统电芯片越来越捉襟见肘。

而光子芯片不仅能够对现有电子芯片性能进行大幅度提升，解决电子芯片解决不了的功耗、访存能力和计算机整体性能等难题，还可以在信息的获取、传输、处理等领域催生众多新的应用场景。

米磊直言，人工智能时代是由算力支撑起来的，光子芯片就是下一代算力中竞争力显著的技术，且已经得到大厂验证，趋势非常明显。

“从这个角度判断，下一个时代将是光芯片和电芯片的融合”，米磊称，硅光技术能够有效提升GPU的整体性能、大幅降低其功耗，有效解决目前的算力瓶颈，“也就是说，下一代算力很可能会是光子计算甚至量子计算”。

有望突破算力天花板

9月中旬，芯片圈传来了个大消息。台积电将与博通、英伟达等客户共同开发硅光子技术，计划于明年下半年开始接受订单，预计在2025年实现量产。外界的评价是：有望突破算力天花板，成为下一代AI算力的“革命性技术”。

光电芯片从业者分析称，台积电宣传的硅光技术，就是利用硅材料的优势，将硅基光电芯片和集成电路做系统集成，提升速度。

光子与电子的结合，被视为破解算力困境的“法宝”。特别是在国内市场电子芯片复杂、被动的处境之下，一个更迫切的问题摆在了面前：当下一轮全球科技竞争很可能聚焦在底层算力上，光子芯片能否在关键时刻顶上来？

事实上，理解光子芯片对于算力的跨越式支撑，其中还存在着一个概念上的“混淆”。在提升AI计算方面，光电芯片可以在两个关键点发挥作用，其一是在神经网络计算本身起到加速器的作用，其二是通过芯片间更加密集的互联，增加数据传输带宽，从而在系统层面提高AI计算的整体性能。

“AI的大规模应用，对数据中心的算力提升有了很大的需求”，相关专家称，这里的算力指的是单位能耗下的算力，一味增加CPU数量可以提升整体算力，但是会带来巨大的能耗。硅光技术的发展，可以提升数据中心的信息传输速度，并大幅度降低能耗，进而提升单位能耗下的算力。目前在光通信领域，光电芯片只是提升数据传输效率，数据的计算依然依靠集成电路来完成。

但比起跟计算本身较劲，光芯片在互联方面发挥的作用很可能起到“曲线救国”的作用。

专家表示，当AI模型快速增大，对训练方面的并行和数据带宽需求越来越高，就需要芯片间进行更高效的互联以便提高整体性能，这种互联包括计算卡之间的互联、芯片间的互联以及芯片组内部计算和存储单元的互联。由于在带宽、功耗及速度方面的绝佳优势，光互连成为解决带宽需求的关键所在。

专家称这是一个完全可以预见的市场，在光互连模组和芯片方面，中国厂商也具备足够技术实力和市场优势。如果在这条路线上发力推动甚至先落地的话，国产AI计算很可能就会在整体上达到一个有竞争力的程度。

作者： 杨月涵  来源： 《北京商报》