速度超越GPU數(shù)百倍？曦智科技推出最新光子計算處理器

　　根據(jù)摩爾定律，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個月便會增加一倍。但當集成電路領(lǐng)域進入后摩爾時代，人們在追求極致的物理工藝的同時，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），——單個光子芯片中集成超過10,000個光子器件，運行1GHz系統(tǒng)時鐘，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(shù)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)展目前面臨著三個主要瓶頸：算力、數(shù)據(jù)傳輸和存儲。算力瓶頸主要來源于兩方面，第一個方面是大眾所了解的摩爾定律，第二個算力限制主要是功耗和發(fā)熱問題。

　　第一個部分就是通過光來做矩陣的乘積累加運算，我們叫oMAC。oMAC是一種模擬計算，通過光模擬信號代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)可以加載在光的強度或者相位上面，通過在波導(dǎo)里的傳播相互干涉，同時進行運算。

　　而且光在傳播的時候自身并不會發(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工藝線就可以滿足現(xiàn)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矩陣運算所要花的時間遠遠少于電芯片。

　　第二部分技術(shù)叫oNOC，片上的光網(wǎng)絡(luò)，主要是通過用波導(dǎo)代替銅導(dǎo)線的方式，在片上進行數(shù)據(jù)傳輸，包括實現(xiàn)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，傳輸延時遠小于銅導(dǎo)線，這就減少了距離帶來的很多問題。片上光網(wǎng)絡(luò)的通用性強，因為它可以與不同類型的電子芯片結(jié)合，能夠為像訪問存儲芯片或者在不同的計算芯片之間提供一個更高速、更低功耗互聯(lián)的方式。

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

PACE光子計算處理器

　　PACE的結(jié)構(gòu)由光芯片和電芯片這兩部分組成。電芯片上主要做數(shù)據(jù)的存儲和數(shù)模混合的調(diào)度；光芯片上主要做數(shù)據(jù)計算。最后，光芯片和電芯片會做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數(shù)量級，即從100個光子器件提高到10000個光子器件。從運行系統(tǒng)時鐘上來看，PACE提高了四個數(shù)量級，目前基本達到電子芯片的時鐘——一個GHz系統(tǒng)時鐘。曦智科技表示，未來可以將向上提高1到2個數(shù)量級時鐘。

　　總體來說，此次單個芯片計算能力超過2019年芯片的100萬倍，與目前市場上的單個算力最高的英偉達GPU3080相比，兩者同時跑一個循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，PACE的耗時只有GPU3080的1%以內(nèi)。

PACE的商業(yè)化應(yīng)用

　　PACE能夠幫助解決NP-Complete Problem，從數(shù)學角度，這可能是現(xiàn)在全球最難以解決或者難以高效解決的數(shù)學問題，它的中文翻譯叫多項式復(fù)雜程度非確定性問題。PACE還能夠解決涉及比如生物信息里蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測、物流交通調(diào)度、芯片設(shè)計、材料研發(fā)，這些常見的問題。如果PACE能夠有效解決其中一個問題，其解決方法也可以被映射到其他問題上去。所以，PACE目前還是有比較多的商業(yè)應(yīng)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(dǎo)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習之外的應(yīng)用案例?！?/p>