電子發(fā)燒友網(wǎng)（文 / 李彎彎）光子 AI 處理器，作為一種借助光子執(zhí)行信息處理與人工智能（AI）計(jì)算的新型硬件設(shè)備，正逐漸嶄露頭角。與傳統(tǒng)基于晶體管的電子 AI 處理器（如 GPU、TPU）截然不同，光子 AI 處理器依靠光信號(hào)的傳輸、調(diào)制及檢測(cè)來(lái)完成計(jì)算任務(wù)，因其具備高速、低功耗、高帶寬等突出優(yōu)勢(shì)，被視作突破現(xiàn)有計(jì)算瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)之一。

核心原理及面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

光子 AI 處理器的核心原理，是用光子取代電子進(jìn)行運(yùn)算。具體而言，首先由激光器產(chǎn)生光信號(hào)，再通過(guò)調(diào)制器將數(shù)據(jù)編碼（例如把電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)），之后光信號(hào)在光波導(dǎo)或自由空間中傳輸。在線性光學(xué)計(jì)算環(huán)節(jié)，利用干涉、衍射、相位調(diào)制等光學(xué)現(xiàn)象來(lái)實(shí)現(xiàn)矩陣乘法，像馬赫 - 曾德?tīng)柛缮鎯x就常被用于搭建光學(xué)矩陣乘法單元。而在非線性和檢測(cè)階段，借助光電探測(cè)器把光信號(hào)重新轉(zhuǎn)換回電信號(hào)，并協(xié)同電子元件完成非線性激活函數(shù)等操作。

這項(xiàng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯：其一，超高速，由于光以光速傳播，延遲極低，在理論層面，其計(jì)算頻率可達(dá) THz 級(jí)別，十分契合高頻計(jì)算場(chǎng)景；其二，低功耗，光子在傳輸過(guò)程中幾乎不會(huì)因電阻產(chǎn)生發(fā)熱現(xiàn)象，能耗相比電子芯片大幅降低；其三，并行性，光天生能夠并行傳播，在大規(guī)模并行計(jì)算（如卷積、矩陣運(yùn)算）中表現(xiàn)出色；其四，抗電磁干擾，光子不會(huì)受到傳統(tǒng)電磁噪聲的影響。

從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)看，光子 AI 處理器在多個(gè)領(lǐng)域都有廣闊的應(yīng)用前景。在深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域，它能夠加速神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練與推理過(guò)程，尤其在圖像識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等方面效果顯著。在數(shù)據(jù)中心，光子 AI 處理器可用于高效處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，有助于降低能耗和散熱成本。在自動(dòng)駕駛領(lǐng)域，實(shí)時(shí)處理激光雷達(dá)、攝像頭等傳感器數(shù)據(jù)，需要低延遲和高帶寬，光子 AI 處理器能夠顯著提升自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的性能。在邊緣計(jì)算方面，于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中，光子 AI 處理器能夠?qū)崿F(xiàn)本地化 AI 計(jì)算，減少數(shù)據(jù)傳輸延遲。

當(dāng)然，光子 AI 處理器的發(fā)展也面臨著諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。在集成度上，目前光子器件的集成度依舊低于電子器件，這就需要研發(fā)更為先進(jìn)的制造工藝，如硅光子集成技術(shù)。在精度與穩(wěn)定性方面，光子器件極易受到溫度、振動(dòng)等環(huán)境因素的干擾，因此提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和計(jì)算精度迫在眉睫。光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，光信號(hào)與電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換效率有待進(jìn)一步提高，以此降低能耗和延遲。在算法適配方面，需要專門開(kāi)發(fā)適配光子計(jì)算的算法和軟件框架，從而充分挖掘其性能優(yōu)勢(shì)。

光子計(jì)算突破性進(jìn)展

光子計(jì)算領(lǐng)域的研究進(jìn)展備受關(guān)注。MIT、斯坦福等科研機(jī)構(gòu)在硅光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如 All - Optical NN）等方面取得了突破。其中，MIT 研發(fā)出基于硅光子的光子 AI 加速器，實(shí)現(xiàn)了高效的矩陣運(yùn)算。國(guó)內(nèi)清華團(tuán)隊(duì)也發(fā)布了全球首款光子 AI 芯片 “太極”，有效加速了深度學(xué)習(xí)模型的運(yùn)行。此外，IBM、Intel 等行業(yè)巨頭也紛紛投身于硅光子 AI 芯片的探索中。

本周，《自然》雜志刊登了兩篇重磅論文，介紹了一種融合 “光” 與 “電” 的計(jì)算機(jī)芯片，展現(xiàn)了硅基光子學(xué)技術(shù)的互補(bǔ)性突破。這兩項(xiàng)研究成果運(yùn)用了一種既能處理電信號(hào)，又能利用光信號(hào)的新型芯片，在提升計(jì)算性能的同時(shí)，還降低了能耗。

其中，曦智科技公司展示了一款名為 PACE 的光子加速器。PACE 是基于光子計(jì)算技術(shù)研發(fā)的專用芯片，旨在攻克傳統(tǒng)電子芯片在計(jì)算速度和能效方面的瓶頸。光子計(jì)算利用光信號(hào)進(jìn)行信息傳輸與處理，相較于電子計(jì)算，具有帶寬更高、延遲更低、能耗更小的顯著優(yōu)勢(shì)。PACE 集成了超過(guò) 16,000 個(gè)光子組件，能夠?qū)崿F(xiàn) 64×64 的光學(xué)矩陣運(yùn)算，并可在 1 GHz 的頻率下運(yùn)行，將計(jì)算延遲降低了 500 倍，極大地提升了計(jì)算效率。

Lightmatter 公司則介紹了一種能夠高效且高精度執(zhí)行 AI 模型的光子處理器。該處理器由四個(gè) 128×128 矩陣構(gòu)成，能夠高效運(yùn)行自然語(yǔ)言處理模型（如 BERT）和圖像處理神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（如 ResNet），其精度與傳統(tǒng)電子處理器相當(dāng)。

在《自然》同期發(fā)表的一篇評(píng)論文章中，達(dá)特茅斯學(xué)院工程學(xué)助理教授 Anthony Rizzo 指出：“光子計(jì)算歷經(jīng)數(shù)十年發(fā)展，而這些研究成果或許意味著我們終于能夠借助光的力量，構(gòu)建更為強(qiáng)大、節(jié)能的計(jì)算系統(tǒng)?！?由此可見(jiàn)，光子計(jì)算技術(shù)正穩(wěn)步向前邁進(jìn)。?