芯片只依靠電子總會碰到“天花板”,這已經是業內共識,而新的技術正在悄悄改變芯片行業的底層邏輯。
01
新的“游戲規則”
中國在光計算領域又有了值得關注的新進展。不久前,中國科學院上海光學精密機械研究所(下簡稱“中國光機所”)研究員謝鵬帶領年輕的團隊,創新性地解決了“光芯片上高密度信息并行處理”的難題,成功研發超高并行光計算集成芯片“流星一號”,實現了“并行度大于100的光計算原型驗證系統”。
流星一號原型機
很多讀者可能對“光計算”“光芯片”以及“并行度大于100”這些術語還很迷茫,沒關系,我們用一篇文章來解釋中國光機所這項技術突破,到底在這個AI計算大爆炸的時代意味著什么。
AI的迅猛發展讓底層算力供不應求,但無論是GPU(圖形處理器)、ASIC(專用集成電路),還是FPGA(現場可編程門陣列)這類硬件結構升級,都還是利用傳統的微電子技術來進行設計和制造的,主要的元器件就是晶體管和用于連接的金屬線——這是著名的“摩爾定律”出現的背景。
1965年英特爾聯合創始人戈登·摩爾預測,在集成電路上的晶體管數量每年都會翻倍,到1975年,工業界有能力在一個面積為一平方英寸(6.25平方厘米)的硅芯片上制造25萬個元器件。
的確,在過去的幾十年中,集成電路行業一直按照摩爾定律發展。從消費者視角來看,在價格不變的情況下,電路集成度每隔18-24個月便會增加一倍,性能也隨之提升一倍。如今,臺積電等制造商已經在沖擊2納米尺度的芯片。
微觀視角下,隨著晶體管數量和密度的不斷增加,用于連接的電子線路已經復雜到難以想象的地步,摩爾定律的預測功能早已逐漸失效,運行的過程中也產生了越來越大的延遲和損耗。
除了在越來越小的“地基”上費盡心思“建高樓”之外,能不能把最基本的“建造材料”換一換?比如把普通晶體管,換成光學晶體管?不是不可以,但是難度太大,“流星一號”走的是另一條路。
02
解開光芯片迷霧
目前所說的“光芯片”其實模糊了兩種技術,一種是光量子芯片,一種是光模擬計算芯片。它們雖然都涉及光學技術,但在原理、應用等方面存在顯著差異,根本就是兩回事兒。
簡單說一下“光量子芯片”,現在量子計算的研究體系包括自然原子、離子阱、光子、核自旋、冷原子,以及超導量子比特等,其中超導的路線上最擁擠,而光子芯片也被認為是突破摩爾定律最有前景的技術之一。
光量子芯片其實是指,基于量子力學原理的、利用光子作為量子比特(qubit)載體,它能夠實現量子疊加和量子糾纏等量子效應,從而實現理論上超強的并行計算能力。
問題是,哪怕光量子可以在室溫中保持良好的量子相干性,光量子芯片通常也需要精密的光量子器件和復雜的控制系統,這類太先進以至于進展緩慢的案例我們見過太多。
而更有落地應用可能的,其實是利用光的一系列參數變化——如振幅、相位、偏振以及軌道角動量等——來實現信號處理,這就是我們本文主角:基于光學的模擬計算芯片。
這種芯片并不依賴量子效應,而是基于經典光學原理。一般是由化合物半導體材料所制造,通過內部能級躍遷過程伴隨的光子的產生和吸收,進而實現光電信號的相互轉換。這就是“流星一號”誕生的基礎。
但這種光芯片并不是一種類似GPU、CPU通用芯片,而是專注于特定計算任務。相比于電子集成電路或電互聯技術,光芯片展現出了更低的傳輸損耗 、更寬的傳輸帶寬、更小的時間延遲、 以及更強的抗電磁干擾能力。
理想中的光芯片有個很特殊的優勢,就是“存算一體”,因為存儲、承載數據的光線,在輸送時就是在做計算,“內存墻”不就消失了?當然這個理想狀態就像一個“圣杯”,尚未實現。
03
打破“信息墻”的中國團隊
至于中國光機所說的“超高并行度”要放在光計算系統中來理解。
而單個光芯片的算力峰值,是由并行度、矩陣規模和光學主頻三個維度所決定的。并行度可以理解為有多少條道路,矩陣規模指的是每一條道路的承載量,光學主頻意思是每輛車能跑多快,這三個維度當然都是越多越好。
提高并行度就像是將單車道的公路改造成可并行通行百輛車的超級公路
在相同矩陣規模和光學主頻的條件下,換言之,在不改變芯片硬件的情況下,“流星一號”能將單車道的公路改造成可并行通行百輛車的超級公路,進而大大提高單位時間內的吞吐量。
公開的研究成果表明,并行度一增加,信號路徑差異和累積的時延差的控制難度會呈指數級增長,反過來會阻礙光信號處理能力。因此,大部分研究團隊只能實現并行度在10-50的光計算。這也是學界所努力突破的“信息并行度墻”,即光計算的道路上造成擁堵的技術瓶頸。
“流星一號”的突破就像是在芯片上成功建造了超多車道,還建設了“智能交通調度(光交互)”,打造出精確協同、高效集成的全新“光速超級公路系統”,從而讓信息得以以前所未有的規模和效率并行奔馳。
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編輯|張毅
主編|黎坤
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