一直以來，數(shù)據(jù)傳輸時能耗過高的問題困擾著AI硬件的發(fā)展，最近，美國哥倫比亞大學(xué)的工程師公布一項研究成果——3D光子電子芯片(3D光電子芯片)，國內(nèi)也有相關(guān)創(chuàng)新成果公布，它也許能幫我們解決此問題。

3D光電子芯片有哪些創(chuàng)新呢？它將基于光的數(shù)據(jù)遷移技術(shù)和CMOS電子技術(shù)相結(jié)合，大幅提升了能效和帶寬。如果該技術(shù)真的可以大規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)我們傳輸數(shù)據(jù)時速度會更快，能耗也會更低；它將給自動駕駛汽車、超大型AI模型及其他技術(shù)帶來深遠(yuǎn)影響。

業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，3D光電子芯片具有變革性意義，但其應(yīng)用落地面臨三大挑戰(zhàn)，最終成效還有待觀察。

新突破有什么意義

目前研究成果已經(jīng)發(fā)表于《自然光子學(xué)》雜志（Nature Photonics），它由哥倫比亞大學(xué)電子工程系教授克倫·伯格曼（Keren Bergman）和查爾斯·巴徹勒( Charles Batchelor)領(lǐng)銜發(fā)表。團(tuán)隊將光子學(xué)技術(shù)和先進(jìn)CMOS電子技術(shù)融合，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速高效移動，還解決了低能耗下海量數(shù)據(jù)的極速遷移問題。

伯格曼教授稱：“如果使用我們開發(fā)的技術(shù)，可以以空前低的能耗傳輸大量數(shù)據(jù)。數(shù)十年來，計算機(jī)和AI系統(tǒng)一直受到能耗的困擾，我們的創(chuàng)新突破可以緩解此問題?！?/p>

哥倫比亞大學(xué)工程團(tuán)隊與康奈爾大學(xué)合作，開發(fā)出這款3D集成光子芯片。團(tuán)隊在0.3 mm2的芯片面積上集成了80個光子發(fā)射器與接收器，其3D集成通道數(shù)量較此前提升了一個數(shù)量級。芯片帶寬達(dá)到800 Gb/s，帶寬密度達(dá)到5.3 Tb/s/mm2，單比特能耗僅120飛焦，能效極為出色。

在設(shè)計芯片時，團(tuán)隊采用了低成本方案，將光子器件和CMOS電子電路深度融合，元器件來自商業(yè)化工廠。值得注意的是，架構(gòu)兼容商用12英寸（300mm）晶圓CMOS工藝，具備大規(guī)模生產(chǎn)潛力。研究還重新定義了計算節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸方式，打破了數(shù)據(jù)本地化限制。

光作為通信介質(zhì)，能以極低能耗傳輸海量數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)計算模式所不具備的，一旦光子芯片成功商用，將打破計算能力極限，到時計算性能得到空前提升，并成為未來各種應(yīng)用場景中計算系統(tǒng)的基石，包括大型AI模型、實(shí)時數(shù)據(jù)處理等。除了人工智能外，高性能計算、電信、分離式內(nèi)存系統(tǒng)也需要類似技術(shù)。

最大挑戰(zhàn)在哪里

許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在研究光子半導(dǎo)體技術(shù)。例如，Celestial AI試圖為AI計算和內(nèi)存基礎(chǔ)設(shè)施提供先進(jìn)的光互連技術(shù)；ANT為本機(jī)處理單元 (NPU) 提供 PCI Express 卡，能效比CMOS高出30倍。還有CogniFiber、Neurophos、Salience Labs也在研究相關(guān)技術(shù)。

在國內(nèi)，清華大學(xué)研制出國際首個全模擬光電智能計算芯片（簡稱ACCEL），經(jīng)實(shí)測，該芯片在智能視覺目標(biāo)識別任務(wù)方面的算力可達(dá)目前高性能商用芯片的3000余倍。去年9月，湖北九峰山實(shí)驗(yàn)室成功點(diǎn)亮集成到硅基芯片內(nèi)部的激光光源，在硅光子集成領(lǐng)域取得里程碑式突破。

雖然國內(nèi)外科學(xué)家在光子芯片方面不斷取得突破，但新技術(shù)仍面臨極大挑戰(zhàn)。

克倫·伯格曼（Keren Bergman）認(rèn)為，第一大挑戰(zhàn)在于設(shè)計。光學(xué)技術(shù)的確可以大幅提高帶寬，但是要將光子芯片與計算機(jī)的計算、存儲、及其他組件封裝、集成，難度不小。

伯格曼稱：“光子芯片是由硅制成的，所以它看起來就像一塊電子芯片。我們應(yīng)該如何對其進(jìn)行共封裝，使之能與電子部件相連接呢？強(qiáng)化集成可以做到，而且有多種實(shí)現(xiàn)方法，比如3D集成、單片集成（整體集成，將光子學(xué)元件和電子元件集成在同一芯片內(nèi)）。“

第二大挑戰(zhàn)就是共封裝帶來的發(fā)熱問題。光子技術(shù)對溫度極為敏感，溫度一旦變化，光子芯片的折射率會改變，所以必須要讓光芯片適應(yīng)溫度變化。

伯格曼稱：“我們用多種方法解決這一問題。一種方法是建立閉環(huán)電路，維持光子器件的正常運(yùn)行，即使溫度變化也不受影響；第二種方法是盡可能優(yōu)化光子器件，讓它對溫度不那么敏感?！?/p>

當(dāng)然，無論什么技術(shù)產(chǎn)品，最終還是要落實(shí)到成本上。目前光子元件的成本仍然高于電子元件，因?yàn)榘雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)的成熟度遠(yuǎn)高于光子學(xué)產(chǎn)業(yè)，這一問題需要依靠生態(tài)系統(tǒng)的完善來解決。（小刀）