速度超越GPU數百倍？曦智科技推出最新光子計算處理器

　　根據摩爾定律，集成電路上可以容納的晶體管數目在大約每經(jīng)過(guò)18個(gè)月便會(huì )增加一倍。但當集成電路領(lǐng)域進(jìn)入后摩爾時(shí)代，人們在追求極致的物理工藝的同時(shí)，也在探索其他提升算力的方式。2021年12月15日，光子計算芯片公司曦智科技發(fā)布了其最新高性能光子計算處理器——PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計算引擎），——單個(gè)光子芯片中集成超過(guò)10,000個(gè)光子器件，運行1GHz系統時(shí)鐘，運行特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )速度可達目前高端GPU的數百倍，PACE成功驗證了光子計算的優(yōu)越性。

光子計算的優(yōu)勢

　　電子芯片發(fā)展目前面臨著(zhù)三個(gè)主要瓶頸：算力、數據傳輸和存儲。算力瓶頸主要來(lái)源于兩方面，第一個(gè)方面是大眾所了解的摩爾定律，第二個(gè)算力限制主要是功耗和發(fā)熱問(wèn)題。

　　第一個(gè)部分就是通過(guò)光來(lái)做矩陣的乘積累加運算，我們叫oMAC。oMAC是一種模擬計算，通過(guò)光模擬信號代替傳統電子進(jìn)行數據處理，數據可以加載在光的強度或者相位上面，通過(guò)在波導里的傳播相互干涉，同時(shí)進(jìn)行運算。

　　而且光在傳播的時(shí)候自身并不會(huì )發(fā)熱，承載的硅光芯片工藝制程要求也比較低，比如65或者45納米的CMOS工藝線(xiàn)就可以滿(mǎn)足現在光芯片、光計算所有的要求。綜合各種特性使得光計算完成一個(gè)矩陣運算所要花的時(shí)間遠遠少于電芯片。

　　第二部分技術(shù)叫oNOC，片上的光網(wǎng)絡(luò )，主要是通過(guò)用波導代替銅導線(xiàn)的方式，在片上進(jìn)行數據傳輸，包括實(shí)現片與片之間的光通信。這樣的優(yōu)勢在于帶寬更好，能耗更低，傳輸延時(shí)遠小于銅導線(xiàn)，這就減少了距離帶來(lái)的很多問(wèn)題。片上光網(wǎng)絡(luò )的通用性強，因為它可以與不同類(lèi)型的電子芯片結合，能夠為像訪(fǎng)問(wèn)存儲芯片或者在不同的計算芯片之間提供一個(gè)更高速、更低功耗互聯(lián)的方式。

　　由此可以看出，光電混合計算系統將光學(xué)計算的帶寬和速度與電子計算的靈活性相結合，并且可以在模擬和數字光學(xué)/光電/電子系統中利用通用的節能技術(shù)基礎。

PACE光子計算處理器

　　PACE的結構由光芯片和電芯片這兩部分組成。電芯片上主要做數據的存儲和數?；旌系恼{度；光芯片上主要做數據計算。最后，光芯片和電芯片會(huì )做3D封裝技術(shù)倒裝的堆疊。相比于曦智科技在2019年推出光子芯片原型板卡，PACE在光子器件的集成度上比之前提高近了兩個(gè)數量級，即從100個(gè)光子器件提高到10000個(gè)光子器件。從運行系統時(shí)鐘上來(lái)看，PACE提高了四個(gè)數量級，目前基本達到電子芯片的時(shí)鐘——一個(gè)GHz系統時(shí)鐘。曦智科技表示，未來(lái)可以將向上提高1到2個(gè)數量級時(shí)鐘。

　　總體來(lái)說(shuō)，此次單個(gè)芯片計算能力超過(guò)2019年芯片的100萬(wàn)倍，與目前市場(chǎng)上的單個(gè)算力最高的英偉達GPU3080相比，兩者同時(shí)跑一個(gè)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法，PACE的耗時(shí)只有GPU3080的1%以?xún)取?/p>

PACE的商業(yè)化應用

　　PACE能夠幫助解決NP-Complete Problem，從數學(xué)角度，這可能是現在全球最難以解決或者難以高效解決的數學(xué)問(wèn)題，它的中文翻譯叫多項式復雜程度非確定性問(wèn)題。PACE還能夠解決涉及比如生物信息里蛋白質(zhì)結構的預測、物流交通調度、芯片設計、材料研發(fā)，這些常見(jiàn)的問(wèn)題。如果PACE能夠有效解決其中一個(gè)問(wèn)題，其解決方法也可以被映射到其他問(wèn)題上去。所以，PACE目前還是有比較多的商業(yè)應用前景。

　　曦智科技創(chuàng )始人兼CEO沈亦晨博士表示：“PACE是曦智科技繼2019年發(fā)布全球首款光子芯片原型板卡后，推出的最新光子計算處理器。它對全球半導體行業(yè)和算力技術(shù)研發(fā)的重要里程碑意義在于，首次驗證了光子計算的優(yōu)越性，也是首次展示了光子計算在人工智能和深度學(xué)習之外的應用案例?！?/p>