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“纳米光学前驱”师生档详解光核算,全球首款商用光子芯片将面世

10月25日,由国际工程院、国际光学工程学会主办的“第二届未来技能与推翻性立异国际大会暨第310场国际工程科技论坛”在杭州市隆重举办。这是一场业界尖端峰会,大会开幕由国际工程院工程办理学部胡文瑞院士进…

10 月 25 日,由国际工程院、国际光学工程学会主办的 “第二届未来技能与推翻性立异国际大会暨第 310 场国际工程科技论坛” 在杭州市隆重举办。

这是一场业界尖端峰会,大会开幕由国际工程院工程办理学部胡文瑞院士进行掌管,国际工程院原副院长、本次大会主席杜祥琬院士,第十三届全国人大常委、环资委副主任委员、国际工程院原副院长赵宪庚院士,及阿里巴巴技能委员会主席王坚院士在内的多名国内外闻名学者、院士莅临参加。

本次大会会聚全国八百余位专家学者和代表到会,上万人在线参加直播观看,会议首要环绕对经济开展和社会进步有重要作用和深远影响的未来技能、推翻性立异主题进行大会学术沟通。并针对电子信息、未来芯片、动力、人工智能和生物信息等五大要点方向举办专题学术研讨,以及国际对接沟通。

其间,涉及到光学、核算机科学、芯片制作等多个科学技能类别的 “光子芯片”,因为其前瞻性和对其时国际格式的推翻性潜力而备受瞩目。

来自麻省理工学院的纳米光学前驱、“麦克阿瑟天才奖” 取得者马林?索利亚奇教授、及源自麻省理工学院的光子核算硬件开发公司曦智科技联合创始人兼 CEO 沈亦晨博士就 “光子芯片” 技能的开展和使用在主论坛作了精彩讲演,现由 DeepTech 收拾如下。

因为疫情的原因,Marin 教授自己没有参与,而是以视频的方法详细介绍了光核算发生的布景、技能优势和演进进程。本部分内容绝大部分收拾自 Marin 和沈亦晨的讲演,并恰当作了弥补。

光核算 —— 从概念到产品

跟着年代的开展,比如阿里巴巴这样的公司,具有了越来越多的数据。人们能够根据此树立强壮的人工智能模型,但与此一同,对核算机算力的要求也水涨船高。

曩昔,硬件才能依照摩尔定律持续增长,算力方面的瓶颈还没有那么显着,但显着现在这个时刻,它开端 “失效” 了,硅基芯片开端逐步抵达物理极限,人们有必要寻觅更新、更高效的核算方法。

一同,超高算力的核算机在能耗方面的问题也日渐凸显。

图 | 国际超算威风?太湖之光与人脑的能耗比照。

太湖之光的功率是 1.5 万千瓦时,大于 1.5 万台空调的能耗;而人脑作业一天只需求一个汉堡包。这是六个数量级的距离,或许这说明核算这个进程并不一定需求消耗如此巨量的动力。因而,测验不运用硅基芯片,或者说不运用电子核算是一个或许的方向,所以 Marin 结合前期的研讨,提出了光核算幻想。

现有的研讨现已证明,光核算在处理某些问题时,才能显着优于电子运算,例如“矩阵乘法”,运用光能够根本上零延时、零能耗完结。

而矩阵乘法对人工智能神经网络十分重要。实际上,很难找到比神经网络愈加依靠矩阵乘法核算的实例了。

这并不是 Marin 他们的首创,早在 1987 年便有人宣布了此类论文,怎么办其时并没有比较适宜的使用范畴,所以后来逐步沉寂,但现在人工智能鼓起,到了它勃发第二春的时分,因而为 “运用光核算矩阵乘法” 这一进程开发专门的硬件变得水到渠成。

图 | “Optical Neural Computers” Y.S.Abu-Mostafa,D.Psaltis. Scientific American, 256, 88, (1987),以及更多之后的论文都在描绘光核算的概括。

以 Marin 的博士生沈亦晨为首的几名学生,在几年前承当了这个使命,他们很快发现这个途径是可行的,而且远景宽广。

光核算最根底的光学元件名为 MZI,它原本用作观测从独自光源发射的光束分裂成两道准直光束之后,经过不同途径与介质所发生的相对相移改动。

图 | 集成在芯片中的单个 MZI 实物图。根据现在的科技水平缓制作工艺,现已能够做到在一个芯片上集成数万个这种光学设备。而且因为它的生产进程能够重用 CMOS 电子设备的技能,所以价格也适当低价。

在矩阵乘法中,MZI 的核算原理能够浅显地解释为,它有两条 “手臂”,经过某种方法改动两条手臂的光程,以此来改动光经过两条手臂之后彼此干与的成果。

图 | MZI 矩阵乘法原理图。详细流程是,进入 MZI 的相干光首要分为两部分,每半部分的相位调整不同。将具有不同相位的信号组合会导致相长或相消干与,然后有效地调理经过 MZI 的光的亮度,该调理进程可被视为乘法运算。而当两道光线相遇,信号被有效地加在一同,即完结了一次光 MAC。

现在的试验证明,光核算完结人工智能的识别率现已十分挨近于传统的电子核算机,而且依然存在十分大的改善空间。

图 | Marin 教授展现的试验成果

最让人振奋的当地在于,整个核算进程是瞬时无能耗的,而且光核算的时钟周期能够比电子核算机进步约 100 多倍。

短期内,光子核算机作为一个全体与电子核算机根据通用 Benchmark,在相同的节点之下,前者大约抢先后者 5 到 10 倍,在一些特定算法,光子核算机能够到达百倍的提高。

图 | 光子核算机拿手的范畴:机器学习、生物信息学、密码学、排程问题、车辆途径问题、电路规划等。

“光子芯片” 开展时刻表

2016 年,沈亦晨和导师 Marin 在 MIT 试验室开始验证了光子核算芯片的可行性。研讨成果于 2017 年 6 月宣布在尖端期刊 Nature Photonics,并荣登封面。

图 | Deep learning with coherent nanophotonic circuits

2017 年曦智科技建立,2019 年头,他们发布了全球首款光子芯片原型板卡。

图 | 曦智科技原型板卡

2020 年,曦智科技现已打造了一支近 80 人的精干研制团队,并与全球抢先的晶圆厂、封装厂产线达到战略协作,悉数准备作业根本安排妥当。云核算服务商、运营商、金融集团等将成为曦智科技的第一批客户。

图 | 曦智科技芯片实物图

现在,曦智科技的光核算芯片由一个电子芯片和光子芯片笔直堆叠组成。沈亦晨说道,未来的光核算体系中,较大或许短期内离不开一块电子芯片,光子芯片能够理解为电子芯片的 “地铁”,它协助电子芯片分管包含线性核算、数据传输、内存读取这些相对耗时的操作。

最大的应战来自于关于光核算芯片上光学器材密度的提高。以现在的科技水平缓制作工艺,曦智现已能够做到在一个芯片上集成数万个根底光学器材。

未来与展望

从 2017 年论文宣布,到 2021 年第一代商用产品落地,看似短短的几年时刻,其实是沈亦晨和团队星夜兼程的成果。

他说,未来曦智的光电芯片会做成 PCIe 板卡,集成到云核算服务器中,为需求算力的场景如城市大脑、自动驾驶、才智金融、新材料、药物研制等供给强壮支撑。

我们人工智能是一个具有无限潜力开疆拓土的机器,那么高算力芯片将成为最中心的发动机。

光核算芯片将打破摩尔定律和电子芯片物理极限,大幅下降芯片能耗,让云核算机房脱节对动力的依靠和带来更长的续航。一同,光子芯片有望协助我国脱节对先进制程技能的依靠,让低制程、高功能成为或许,一改其时的被动局面。

最终,光子芯片技能终究推翻的是什么?“首要,光子芯片供给了全新芯片规划架构思路,从把更多的处理同一使命的器材放在一同,到使用光学芯片作为传输,完全推翻原有的规划理念;此外,光子芯片激起人们对芯片功能极限的考虑:当芯片功能极限不再遭到工艺制程的约束,那么光子芯片的极限究竟是什么?这种功能极限的打破关于使用场景意味着什么?这或许将会启宣布更多新的主意。” 沈亦晨的话给光子芯片的开展留下了无量的幻想空间,也对会议主题作出了回应。

图 | 马林?索利亚奇,1974 年出生于克罗地亚首都萨格勒布。1996 年取得麻省理工学院物理学和电气工程学士学位,1998 年取得普林斯顿大学理学硕士学位,2000 年取得物理学博士学位。2005 年,他成为麻省理工学院物理学教授。2008 年,他被颁发麦克阿瑟奖,这是一个 “不附带任何条件” 的奖项,非官方称之为 “天才奖”。他的首要研讨爱好是人工智能以及电磁现象,要点是纳米光子学,非线性光学和无线电力传输。他是 200 多篇论文和 100 多项美国专利的合著者。

图 | 曦智科技联合创始人兼 CEO 沈亦晨,麻省理工学院物理学博士,师从麻省理工学院 Marin Soljacic 教授,具有多年纳米光学和人工智能算法的科研经历。曦智科技成功开宣布国际第一款光子芯片原型板卡,而且用光子芯片运行了 Google TensorFlow 自带的卷积神经网络模型来处理 MNIST 数据集,整个模型超越 95% 的运算是在光子芯片上完结。光子芯片处理的准确率现已挨近电子芯片,别的光子芯片完结矩阵乘法所用的时刻是最先进的电子芯片的 1% 以内。

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