隨著人工智能時代的來臨腮敌，全球?qū)τ诟咝阅苡嬎愕男枨笳诳焖偕仙鹘y(tǒng)的高性能計算芯片基于CMOS數(shù)字電路處理器弊添，而隨著摩爾定律接近瓶頸捌木，傳統(tǒng)的高性能計算的發(fā)展速度也在減緩。使用硅光子技術(shù)實現(xiàn)高性能計算芯片正是為了解決傳統(tǒng)數(shù)字電路芯片的種種瓶頸應(yīng)運而生，并在最近得到了越來越多的關(guān)注。

光子芯片技術(shù)與計算

經(jīng)過多年的發(fā)展极舔，硅光子技術(shù)已經(jīng)能夠在硅襯底上實現(xiàn)多種光學(xué)器件链瓦，并能夠把這些器件集成在一起做成一個完整的光學(xué)系統(tǒng)。硅光子技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在各種通信和數(shù)據(jù)傳輸領(lǐng)域渤刃，通過調(diào)制光信號可以實現(xiàn)高速遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸贴膘。硅光子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域除了數(shù)據(jù)傳輸之外，在近幾年也進(jìn)入了計算領(lǐng)域刑峡。對于硅光子技術(shù)做計算，其核心元器件是馬赫－曾德爾干涉儀（MZI）诫舅。如下圖所示宫患，MZI將輸入光分成兩束光，并且分別對兩束光進(jìn)行相位調(diào)制娃闲，而輸出則是兩束光之間的相位差。

從數(shù)學(xué)上可以證明泽疆，一個MZI的操作是實現(xiàn)了一個基本的2x2矩陣和1x2向量相乘玲献。通過多個MZI之間相互連通實現(xiàn)陣列，就可以實現(xiàn)更大規(guī)模的矩陣和向量相乘捌年。而矩陣和向量相乘礼预，也就是深度學(xué)習(xí)等高性能計算中的重要算法的基本操作。因此托酸，通過片上大規(guī)模集成MZI柒巫，就能實現(xiàn)深度學(xué)習(xí)計算谷丸。

那么，光子計算相對于傳統(tǒng)CMOS芯片來說泉唁，有什么優(yōu)勢呢揩慕？第一個優(yōu)勢就是其功耗優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的CMOS數(shù)字電路芯片中拴鸵，集成很大的計算陣列但是往往不能同時開啟蜗搔，因為大量計算單元同時做計算會造成巨大的峰值功耗和瞬態(tài)電流，從而對芯片散熱和穩(wěn)定性造成很大的挑戰(zhàn)碍扔。而使用光器件做計算則不存在這個功耗問題，因為光的干涉和相移的功耗接近0厉膀，因此理論上即使同時有海量光器件同時開啟做計算也不會在功耗上發(fā)生問題二拐。注意，這里主要指的是瞬態(tài)功耗和電流百新，而功耗和電流問題往往在云端芯片中更嚴(yán)重，因此云端芯片也是光計算芯片的首要市場仗哨。除了計算瞬態(tài)功耗之外铅辞，光計算芯片的另一個優(yōu)勢在于數(shù)據(jù)傳輸。隨著大規(guī)模計算越來越普遍苇倡，數(shù)據(jù)往往要在芯片上傳輸很遠(yuǎn)的距離，而在先進(jìn)工藝中片上互聯(lián)的能量開銷是很高的旨椒，而使用光做片上互聯(lián)就可以減小這樣的問題。此外涣仿，在芯片之間做數(shù)據(jù)傳輸時寥粹，用光信號也能大大降低能量開銷埃元，如果能讓光計算配合光數(shù)據(jù)傳輸，就能實現(xiàn)如虎添翼的效果岛杀，大大改善大型數(shù)據(jù)中心的計算能量開銷。

光子計算芯片的中外格局

光子計算作為可能的下一代高性能計算技術(shù)路徑糊肠，在全球都得到了相當(dāng)?shù)闹匾曇怕唷：Ｍ夤庾佑嬎阈酒拇硎莵碜悦绹腖ightmatter。在剛剛舉行的Hotchips

2020上精偿，Lightmatter展示了其最新的光子計算芯片組，該芯片組包括數(shù)字電路和光子芯片兩部分搔预，計算主要在光子芯片中完成叶组，光子芯片使用90nm標(biāo)準(zhǔn)硅光子工藝實現(xiàn)，可以實現(xiàn)8TOPS的峰值算力船庇，整體芯片組的功耗為3W侣监。這個能效比數(shù)字相比傳統(tǒng)基于CMOS工藝的數(shù)字芯片可以說是非常優(yōu)秀，同時也展示了光計算未來的巨大潛力达吞。

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SIC 核心理念旨在創(chuàng)造一個更智能，更連通的世界吞鸭。

數(shù)字經(jīng)濟(jì)時代，構(gòu)建多方協(xié)作的信任體系遮咖，才能實現(xiàn)資產(chǎn)價值在數(shù)字化全鏈路的流轉(zhuǎn)造虏。SIC

芯鏈正在將下一代連接技術(shù)帶到全球，通過應(yīng)對城市基礎(chǔ)設(shè)施陶珠，能源享钞，交通和建筑領(lǐng)域的挑戰(zhàn)，

我們正在開發(fā)可降低成本的可持續(xù)解決方案栗竖，并讓城市著眼于未來。SIC 芯鏈區(qū)塊鏈技術(shù)添吗，它將為互聯(lián)汽車份名，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，智能家居和城市同窘，網(wǎng)絡(luò)和移動性提供技術(shù)基礎(chǔ)。我們將利用所有經(jīng)驗來改善世界裤纹，豐富人們的生活丧没，同時為我們的業(yè)務(wù)創(chuàng)造新的市場。

未來的智能數(shù)字社會將是SIC 芯鏈物互聯(lián)的時代漆际，所有的東西夺饲，不僅是計算機(jī)和手機(jī)施符，還包括人和其它所有物品擂找，甚至是通過用戶行為分析得出的虛擬畫像，都會連接在一起贯涎。在這個智能數(shù)字世界中，關(guān)鍵的基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)有三個：物聯(lián)網(wǎng)陆盘、區(qū)塊鏈和人工智能败明。IoT物聯(lián)網(wǎng)相當(dāng)于人的感官，完成感知與連接祟霍，產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)盈包；人工智能技術(shù)來處理這些海量數(shù)據(jù)醇王；區(qū)塊鏈則可以看成是一個打通各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)傳遞鏈條，完成信息的確權(quán)寓娩、交易、傳遞功能寞埠。這樣我們就可以構(gòu)建一個數(shù)字化的超級智能社會焊夸，享受智能交通、智能家居饭冬、智能醫(yī)療等帶來的便利揪阶。

光子計算芯片未來展望

光子計算芯片目前已經(jīng)展示了巨大的潛力，并且在一些關(guān)鍵指標(biāo)上展示了其相對電子芯片的優(yōu)越性鲁僚。在未來裁厅，光子計算芯片則有一些重要的發(fā)展方向侨艾。首先就是如何做到把盡可能多的處理完全使用光信號完成。目前的光計算芯片中声畏，為了完成所有的計算還是必須要在光信號和數(shù)字信號之間切換姻成。例如，在Lightmatter展示的光計算芯片中均牢，矩陣計算可以用光信號完成才睹，但是深度學(xué)習(xí)中的非線性運算則需要把光信號轉(zhuǎn)回數(shù)字信號。事實上垮庐，這樣的來回信號切換已經(jīng)成為了整個系統(tǒng)的性能和功耗瓶頸坞琴。為了能把光計算的優(yōu)勢進(jìn)一步發(fā)揮，會需要把更多的運算使用光信號實現(xiàn)剧辐，從而盡可能避免光信號和電信號之間的轉(zhuǎn)換帶來的性能損失。而這需要算法層面和光器件層面的進(jìn)步溉奕；在算法層面忍啤，盡可能多地開發(fā)對于光器件較友好地算法，而在光器件方面則需要能實現(xiàn)盡可能多的計算能力胸竞，從而較少對于算法地限制参萄。此外，目前光計算仍然是假設(shè)輸入數(shù)據(jù)是數(shù)字信號讹挎，需要首先用數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)成模擬電信號去驅(qū)動光調(diào)制器，這樣事實上也增加了功耗開銷马篮，而且數(shù)模轉(zhuǎn)換也容易成為性能瓶頸。未來如果能把光計算芯片和光數(shù)據(jù)傳輸直接整合在一起翅阵，從而讓數(shù)據(jù)在使用光信號傳輸時就直接完成計算迁央，則有機(jī)會進(jìn)一步發(fā)揮光計算地優(yōu)勢。