文︱郭紫文
图︱曦智科技
12月16日，全球领先的光子计算芯片公司曦智科技（Lightelligence）发布了全新一代高性能光子计算处理器PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子计算引擎）。“PACE成功验证了光子计算的优越性，为集成电路产业提供了新的发展路径。”在曦智科技创始人兼首席执行官沈亦晨博士看来，该处理器采用创新的光电混合3D封装，让光子芯片与传统电子芯片无缝协同，对拓宽集成电路产业边界具有里程碑式的重要意义。
全新一代高性能光子计算处理器PACE
长期以来，摩尔定律指引着半导体制造工艺制程的迭代和演进，晶体管密度和性能也随之大幅度提升。随着工艺节点下探至3nm及以下，半导体工艺微缩逐渐触达物理极限，功耗密度的挑战随之越来越大。然而，产业智能化趋势迅猛，海量数据的处理与计算需要更庞大的算力支撑，对芯片的性能要求越来越高。曦智科技工程副总裁Maurice Steinman表示，在这种趋势下，集成硅光技术俨然会是半导体产业未来的重要方向。
光电混合封装 持续突破算力瓶颈
不同于传统电子计算技术，光子计算以光子为信息处理载体，能够并行处理高度复杂的计算任务，且比电子计算速度更快、功耗更低。2019年，曦智科技发布了全球首款光子芯片原型板卡，引领了光学人工智能芯片的全新突破。光学人工智能芯片的概念由沈亦晨博士领导的麻省理工学院课题组于2016年提出。次年，该团队便成功完成流片并将研究成果发表在《自然－光子》杂志上。
“首款光子芯片原型板卡通过运行神经网络模型来识别手写数字图像，芯片中集成了约100个光子器件，运行频率约100kHz。但这项激动人心的技术远未实现光子计算的全部潜力。”在曦智科技联合创始人首席技术官孟怀宇博士看来，“高能效、低时延和高通量是光学矩阵运算能够超越摩尔定律继续提升算力的关键。”而实现光子器件与电子器件的无缝集成，则是将光学矩阵的理论优势变为现实的关键。
首款光子芯片原型板卡
新一代光子计算处理器PACE采用了光电混合3D封装技术，将集成硅光芯片与CMOS微电子芯片倒装封装，实现了在单个芯片上集成上万个光子器件，较之前代，运行速率提高至1GHz，算力提高了100万倍。据孟怀宇博士介绍，对于光学矩阵而言，片上SRAM中的输入向量值经过模拟转换与光学调制后形成输入光向量，随后经过光矩阵传播产生输出光向量，再经由光电探测器将光强转换为电流信号，最终通过跨阻放大器和数模转换器返回数字域。在伊辛问题、最大割、最小割等多项式复杂程度的非确定性问题（NP－complete Problem）方面，通过光学矩阵来实现大量连续矩阵乘法运算是一个很好的选择。与当前市场上最先进的GPU相比，PACE的运算速度要快上百倍。
全新一代高性能光子计算处理器PACE
三大技术铺底 为光子芯片商业化打地桩
我们可以看到，传统电子架构正面临着巨大的数据通信和算力挑战，能耗、存储、片上传输及片间传输等陷入瓶颈，而光子芯片颠覆了传统芯片设计理念，为芯片设计架构的提供了全新的思路。Maurice Steinman表示，曦智科技结合光计算与光互连技术，在提高算术计算和数据传输效率的同时大幅降低能耗，为加速器、服务器和数据中心等领域提供高性能产品。
光计算和光互连是曦智科技产品路线中的重要模块，包括oMAC（光学乘积累加运算，Optical Multiply Accumulate）、oNOC（片上光网络，Optical Network on Chip）、oNET（片间光网络，Optical Networking）三大技术。
oMAC采用与CMOS兼容的硅光工艺平台，通过光电协同、高速可调的小尺寸光电调制器、基于MZI结构的相干／非相干方案、硬件算法协同优化等设计，用光替代传统电子进行数据处理，具备低时延、高并行计算能力、低成本等优势。
oNOC在光芯片上构建了固定或灵活可调的通讯网络拓扑（包括光广播和波分复用），实现了单个点芯片内部的数据传输，以及封装内多个电芯片的数据通信，为芯片提供了高速、低能耗的片间互连，适用于需求高带宽、低能耗、低延时的应用场景。
oNET通过光芯片将单元内部需要传输的数据集中，经由光传播介质与其他单元进行数据交互，能效比高，传播损耗低。
通过上述光计算和光互连技术的深度融合和创新，曦智科技已经完成了两款光子芯片的迭代和升级。“第二代光子计算处理器PACE是全球首个高性能光子计算处理技术的成功示范，也是曦智科技技术路线的重要里程碑。”同时，PACE的发布也意味着曦智科技迈出了光子芯片商业化的第一步。沈亦晨博士称，光子芯片走向商业化还需要经历漫长的技术迭代和严格的市场考验。据透露，曦智科技新一代光子芯片正在紧锣密鼓筹划之中，初步计划将于2022年推出。
写在最后
现阶段，光子芯片还尚未达到纯光计算的水平。在可预见的未来中，与电子芯片深度结合的光电混合运算都将是光子芯片的主流。在这种运算方式下，光子芯片与客户产品的交互都是通过电子芯片来完成，与现有市场环境完全兼容。从市场应用来看，光子芯片主要面向云计算、智能驾驶、量化交易、生物医药等领域，曦智科技也已经与云服务供应商、金融服务机构等多家企业展开密切合作。沈亦晨博士表示，未来，曦智科技将继续与半导体供应链、云计算、金融、自动驾驶等行业的领导者展开合作，以验证光子计算的可行性和通用性。
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