10 月 25 日，由中國(guó)工程院、中國(guó)光學(xué)工程學(xué)會(huì)主辦的 “第二屆未來(lái)技術(shù)與顛覆性創(chuàng)新國(guó)際大會(huì)暨第 310 場(chǎng)中國(guó)工程科技論壇” 在杭州市盛大召開(kāi)。

這是一場(chǎng)業(yè)內(nèi)頂級(jí)峰會(huì)，大會(huì)開(kāi)幕由中國(guó)工程院工程管理學(xué)部胡文瑞院士進(jìn)行主持，中國(guó)工程院原副院長(zhǎng)、本次大會(huì)主席杜祥琬院士，第十三屆全國(guó)人大常委、環(huán)資委副主任委員、中國(guó)工程院原副院長(zhǎng)趙憲庚院士，及阿里巴巴技術(shù)委員會(huì)主席王堅(jiān)院士在內(nèi)的多名國(guó)內(nèi)外知名學(xué)者、院士蒞臨參加。 本次大會(huì)匯聚全國(guó)八百余位專家學(xué)者和代表到會(huì)，上萬(wàn)人在線參與直播觀看，會(huì)議主要圍繞對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步有重要作用和深遠(yuǎn)影響的未來(lái)技術(shù)、顛覆性創(chuàng)新主題進(jìn)行大會(huì)學(xué)術(shù)交流。

并針對(duì)電子信息、未來(lái)芯片、能源、人工智能和生物信息等五大重點(diǎn)方向舉行專題學(xué)術(shù)研討，以及國(guó)際對(duì)接交流。 其中，涉及到光學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、芯片制造等多個(gè)科學(xué)技術(shù)門(mén)類的 “光子芯片”，因?yàn)槠淝罢靶院蛯?duì)當(dāng)前世界格局的顛覆性潛力而備受矚目。 來(lái)自麻省理工學(xué)院的納米光學(xué)先驅(qū)、“麥克阿瑟天才獎(jiǎng)” 獲得者馬林?索利亞奇（Marin Solja?i?）教授、及源自麻省理工學(xué)院的光子計(jì)算硬件開(kāi)發(fā)公司曦智科技（Lightelligence）聯(lián)合創(chuàng)始人兼 CEO 沈亦晨博士就 “光子芯片” 技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用在主論壇作了精彩演講，現(xiàn)由 DeepTech 整理如下。

由于疫情的原因，Marin 教授本人沒(méi)有到場(chǎng)，而是以視頻的方式詳細(xì)介紹了光計(jì)算產(chǎn)生的背景、技術(shù)優(yōu)勢(shì)和演進(jìn)歷程。本部分內(nèi)容絕大部分整理自 Marin 和沈亦晨的演講，并適當(dāng)作了補(bǔ)充。

光計(jì)算 —— 從概念到產(chǎn)品 隨著時(shí)代的發(fā)展，諸如阿里巴巴這樣的公司，擁有了越來(lái)越多的數(shù)據(jù)。人們可以基于此建立強(qiáng)大的人工智能模型，但與此同時(shí)，對(duì)計(jì)算機(jī)算力的要求也水漲船高。 過(guò)去，硬件能力按照摩爾定律持續(xù)增長(zhǎng)，算力方面的瓶頸還沒(méi)有那么明顯，但顯然現(xiàn)在這個(gè)時(shí)刻，它開(kāi)始 “失效” 了，硅基芯片開(kāi)始逐漸到達(dá)物理極限，人們必須尋找更新、更高效的計(jì)算方式。 同時(shí)，超高算力的計(jì)算機(jī)在能耗方面的問(wèn)題也日漸凸顯。

太湖之光的功率是 1.5 萬(wàn)千瓦時(shí)，大于 1.5 萬(wàn)臺(tái)空調(diào)的能耗；而人腦工作一天只需要一個(gè)漢堡包。這是六個(gè)數(shù)量級(jí)的差距，或許這說(shuō)明計(jì)算這個(gè)過(guò)程并不一定需要耗費(fèi)如此巨量的能源。因此，嘗試不使用硅基芯片，或者說(shuō)不使用電子計(jì)算是一個(gè)可能的方向，于是 Marin 結(jié)合前期的研究，提出了光計(jì)算設(shè)想。 現(xiàn)有的研究已經(jīng)證明，光計(jì)算在處理某些問(wèn)題時(shí)，能力明顯優(yōu)于電子運(yùn)算，例如“矩陣乘法”，使用光可以基本上零延時(shí)、零能耗完成。 而矩陣乘法對(duì)人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)非常重要。

實(shí)際上，很難找到比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更加依賴矩陣乘法計(jì)算的實(shí)例了。 這并不是 Marin 他們的獨(dú)創(chuàng)，早在 1987 年便有人發(fā)表了此類論文，奈何當(dāng)時(shí)并沒(méi)有比較合適的應(yīng)用領(lǐng)域，所以后來(lái)逐漸沉寂，但現(xiàn)在人工智能興起，到了它煥發(fā)第二春的時(shí)候，因此為 “使用光計(jì)算矩陣乘法” 這一過(guò)程開(kāi)發(fā)專門(mén)的硬件變得順理成章。

以 Marin 的博士生沈亦晨為首的幾名學(xué)生，在幾年前承擔(dān)了這個(gè)任務(wù)，他們很快發(fā)現(xiàn)這個(gè)路徑是可行的，并且前景廣闊。 光計(jì)算最基礎(chǔ)的光學(xué)元件名為 MZI（馬赫－曾德?tīng)柛缮鎯x），它本來(lái)用作觀測(cè)從單獨(dú)光源發(fā)射的光束分裂成兩道準(zhǔn)直光束之后，經(jīng)過(guò)不同路徑與介質(zhì)所產(chǎn)生的相對(duì)相移變化。

圖 | 集成在芯片中的單個(gè) MZI 實(shí)物圖

基于目前的科技水平和制造工藝，已經(jīng)可以做到在一個(gè)芯片上集成數(shù)萬(wàn)個(gè)這種光學(xué)設(shè)備。并且由于它的生產(chǎn)過(guò)程可以重用 CMOS 電子設(shè)備的技術(shù)，所以價(jià)格也相當(dāng)?shù)土＃▉?lái)源：曦智科技） 在矩陣乘法中，MZI 的計(jì)算原理可以通俗地解釋為，它有兩條 “手臂”，通過(guò)某種方式改變兩條手臂的光程，以此來(lái)改變光通過(guò)兩條手臂之后相互干涉的結(jié)果。

圖 | MZI 矩陣乘法原理圖

具體流程是，進(jìn)入 MZI 的相干光首先分為兩部分，每半部分的相位調(diào)整不同。將具有不同相位的信號(hào)組合會(huì)導(dǎo)致相長(zhǎng)或相消干涉，從而有效地調(diào)節(jié)通過(guò) MZI 的光的亮度，該調(diào)節(jié)過(guò)程可被視為乘法運(yùn)算。而當(dāng)兩道光線相遇，信號(hào)被有效地加在一起，即完成了一次光 MAC（Multiply-accumulate 乘積累加）。 目前的實(shí)驗(yàn)證明，光計(jì)算實(shí)現(xiàn)人工智能的識(shí)別率已經(jīng)非常接近于傳統(tǒng)的電子計(jì)算機(jī)，并且仍然存在非常大的改進(jìn)空間。

圖 | Marin 教授展示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

最讓人興奮的地方在于，整個(gè)計(jì)算過(guò)程是瞬時(shí)無(wú)能耗的，并且光計(jì)算的時(shí)鐘周期可以比電子計(jì)算機(jī)提高約 100 多倍。 短期內(nèi)，光子計(jì)算機(jī)作為一個(gè)整體與電子計(jì)算機(jī)基于通用 Benchmark，在相同的節(jié)點(diǎn)之下，前者大概領(lǐng)先后者 5 到 10 倍，在一些特定算法（如退火），光子計(jì)算機(jī)可以達(dá)到百倍的提升。

“光子芯片” 發(fā)展時(shí)間表 2016 年，沈亦晨和導(dǎo)師 Marin 在 MIT 實(shí)驗(yàn)室初步驗(yàn)證了光子計(jì)算芯片的可行性。研究成果于 2017 年 6 月發(fā)表在頂級(jí)期刊 Nature Photonics，并榮登封面。

2017 年曦智科技成立，2019 年初，他們發(fā)布了全球首款光子芯片原型板卡。

2020 年，曦智科技已經(jīng)打造了一支近 80 人的精干研發(fā)團(tuán)隊(duì)，并與全球領(lǐng)先的晶圓廠、封裝廠產(chǎn)線達(dá)成戰(zhàn)略合作，全部準(zhǔn)備工作基本就緒。云計(jì)算服務(wù)商、運(yùn)營(yíng)商、金融集團(tuán)等將成為曦智科技的第一批客戶。

目前，曦智科技的光計(jì)算芯片由一個(gè)電子芯片和光子芯片垂直堆疊組成。沈亦晨說(shuō)道，未來(lái)的光計(jì)算系統(tǒng)中，較大可能短期內(nèi)離不開(kāi)一塊電子芯片，光子芯片可以理解為電子芯片的 “地鐵”，它幫助電子芯片分擔(dān)包括線性計(jì)算、數(shù)據(jù)傳輸、內(nèi)存讀取這些相對(duì)耗時(shí)的操作。

最大的挑戰(zhàn)來(lái)自于對(duì)于光計(jì)算芯片上光學(xué)器件密度的提升。以目前的科技水平和制造工藝，曦智已經(jīng)可以做到在一個(gè)芯片上集成數(shù)萬(wàn)個(gè)基礎(chǔ)光學(xué)器件。 未來(lái)與展望 從 2017 年論文發(fā)表，到 2021 年第一代商用產(chǎn)品落地，看似短短的幾年時(shí)間，其實(shí)是沈亦晨和團(tuán)隊(duì)星夜兼程的結(jié)果。 他說(shuō)，未來(lái)曦智的光電芯片會(huì)做成 PCIe 板卡，集成到云計(jì)算服務(wù)器中，為需要算力的場(chǎng)景如城市大腦、自動(dòng)駕駛、智慧金融、新材料、藥物研發(fā)等提供強(qiáng)大支撐。

如果人工智能是一個(gè)擁有無(wú)限潛力開(kāi)疆拓土的機(jī)器，那么高算力芯片將成為最核心的發(fā)動(dòng)機(jī)。 光計(jì)算芯片將突破摩爾定律和電子芯片物理極限，大幅降低芯片能耗，讓云計(jì)算機(jī)房擺脫對(duì)能源的依賴和帶來(lái)更長(zhǎng)的續(xù)航。同時(shí)，光子芯片有望幫助我國(guó)擺脫對(duì)先進(jìn)制程技術(shù)的依賴，讓低制程、高性能成為可能，一改當(dāng)前的被動(dòng)局面。 最后，光子芯片技術(shù)究竟顛覆的是什么？

“首先，光子芯片提供了全新芯片設(shè)計(jì)架構(gòu)思路，從把更多的處理同一任務(wù)的器件放在一起，到利用光學(xué)芯片作為傳輸，徹底顛覆原有的設(shè)計(jì)理念；此外，光子芯片激發(fā)人們對(duì)芯片性能極限的思考：當(dāng)芯片性能極限不再受到工藝制程的限制，那么光子芯片的極限到底是什么？這種性能極限的突破對(duì)于應(yīng)用場(chǎng)景意味著什么？這可能將會(huì)啟發(fā)出更多新的想法?！?沈亦晨的話給光子芯片的發(fā)展留下了無(wú)窮的想象空間，也對(duì)會(huì)議主題作出了回應(yīng)。

1996 年獲得麻省理工學(xué)院物理學(xué)和電氣工程學(xué)士學(xué)位，1998 年獲得普林斯頓大學(xué)理學(xué)碩士學(xué)位，2000 年獲得物理學(xué)博士學(xué)位。2005 年，他成為麻省理工學(xué)院物理學(xué)教授。2008 年，他被授予麥克阿瑟獎(jiǎng)，這是一個(gè) “不附帶任何條件” 的獎(jiǎng)項(xiàng)，非官方稱之為 “天才獎(jiǎng)”。他的主要研究興趣是人工智能以及電磁現(xiàn)象，重點(diǎn)是納米光子學(xué)，非線性光學(xué)和無(wú)線電力傳輸。他是 200 多篇論文和 100 多項(xiàng)美國(guó)專利的合著者。

曦智科技成功開(kāi)發(fā)出世界第一款光子芯片原型板卡，并且用光子芯片運(yùn)行了 Google TensorFlow 自帶的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)處理 MNIST 數(shù)據(jù)集，整個(gè)模型超過(guò) 95% 的運(yùn)算是在光子芯片上完成。光子芯片處理的準(zhǔn)確率已經(jīng)接近電子芯片（97% 以上），另外光子芯片完成矩陣乘法所用的時(shí)間是最先進(jìn)的電子芯片的 1% 以內(nèi)。 -End-

原文標(biāo)題：“納米光學(xué)先驅(qū)”師生檔詳解光計(jì)算，全球首款商用光子芯片即將問(wèn)世

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