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將數(shù)億晶體管集成到指甲蓋大小的芯片上，不斷提高其集成密度，是近幾十年提高芯片計(jì)算能力的主要途徑，也是引領(lǐng)行業(yè)半個(gè)多世紀(jì)的摩爾定律的核心內(nèi)容。然而，由于人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的快速發(fā)展，數(shù)字經(jīng)濟(jì)浪潮席卷其中。作為核心生產(chǎn)力的計(jì)算能力需求激增，逐漸與芯片本身的物理極限發(fā)生沖突。曾被視為金科玉律的摩爾定律正面臨失敗的困境。

芯片采購(gòu)網(wǎng)專注于整合國(guó)內(nèi)外授權(quán)IC代理商現(xiàn)貨資源，芯片庫(kù)存實(shí)時(shí)查詢，行業(yè)價(jià)格合理，采購(gòu)方便IC芯片，國(guó)內(nèi)專業(yè)芯片采購(gòu)平臺(tái)。

光可能會(huì)成為解決這個(gè)問(wèn)題的突破嗎？光子具有高通量、低延遲、低能耗的優(yōu)點(diǎn)，不易受到溫度、電磁場(chǎng)和噪聲變化的影響。此前，光子技術(shù)經(jīng)常應(yīng)用于長(zhǎng)途通信領(lǐng)域，光纖通信已成為各種通信網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸方式。然而，光在人類社會(huì)進(jìn)步中的作用可能比我們想象的要大得多。

西智科技率先關(guān)注光學(xué)領(lǐng)域，提出了開(kāi)創(chuàng)性的光電混合計(jì)算新范式概念，試圖為集成電路行業(yè)提供一種不同于當(dāng)前傳統(tǒng)芯片計(jì)算范式的新的解決方案。最近，西智科技CTO孟懷宇博士DeepTech以計(jì)算需求爆發(fā)下的光電混合計(jì)算新范式為主題，科技創(chuàng)新周先進(jìn)計(jì)算論壇詳細(xì)介紹了這一概念。

新革命從光計(jì)算開(kāi)始

光計(jì)算是指利用光的物理特性完成線性計(jì)算。孟懷宇博士以生活中常見(jiàn)的光計(jì)算眼鏡為例，指出了光計(jì)算的三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

首先是低延遲。眼鏡后的觀察者覺(jué)得眼鏡前圖像變化所需的時(shí)間等于以光速穿越這段距離所需的時(shí)間——幾乎最少；其次，能耗低。眼鏡本身不消耗能量，所有能量都消耗在光信號(hào)的產(chǎn)生和吸收上；最后，當(dāng)光信號(hào)發(fā)生高速變化時(shí)，眼鏡后接收的信息也會(huì)發(fā)生高速變化，即眼鏡的二維傅里葉變換正在進(jìn)行高速大通量計(jì)算。

雖然眼鏡不能編程，但其原理給光計(jì)算的實(shí)現(xiàn)帶來(lái)了靈感。西智科技創(chuàng)始人兼創(chuàng)始人兼CEO沈亦晨博士創(chuàng)造性地提出了利用集成光子技術(shù)實(shí)現(xiàn)深度學(xué)習(xí)的新計(jì)算架構(gòu)，并于2017年創(chuàng)立了西智科技。2019年，西智科技發(fā)布了世界上第一張光子芯片原型板卡，成功驗(yàn)證了用光子代替電子進(jìn)行高性能計(jì)算的先鋒理念。在此基礎(chǔ)上，西智科技團(tuán)隊(duì)于2021年發(fā)布了高性能光子計(jì)算處理器PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計(jì)算引擎)通過(guò)重復(fù)矩陣乘法，巧妙利用受控噪聲組成的緊密回環(huán)，實(shí)現(xiàn)低延遲，導(dǎo)致伊辛問(wèn)題（Ising）高質(zhì)量的解決方案。

孟懷宇博士說(shuō)： PACE主要利用光計(jì)算的低延遲優(yōu)勢(shì)。它可以在3納秒內(nèi)EPCOS代理完成伊辛問(wèn)題單次迭代計(jì)算，速度達(dá)到目前的高端GPU800倍以上。

PACE與目前高端GPU性能對(duì)比

光互聯(lián)，光電混合計(jì)算新范式的另一半

另一半關(guān)注的是解決數(shù)據(jù)互聯(lián)問(wèn)題，即內(nèi)存墻（memory wall）問(wèn)題主要包括容量和帶寬。今天，隨著計(jì)算能力的爆發(fā)，相應(yīng)硬件的增長(zhǎng)速度遙不可及。以AI典型模型Transformer例如，在兩年內(nèi)，硬件存儲(chǔ)容量只增加了兩倍，算法大小增加了240倍。因此，存儲(chǔ)墻的容量瓶頸，即如何容納更大的應(yīng)用程序。

另一個(gè)挑戰(zhàn)是帶寬瓶頸。孟懷宇博士解釋說(shuō)，如果將芯片想象為平面方塊，芯片的計(jì)算能力與方塊的面積成正比，芯片的外部帶寬與其邊長(zhǎng)成正比。因此，當(dāng)芯片上的晶體管密度越來(lái)越高時(shí)，如果芯片的邊長(zhǎng)密度增加2倍，計(jì)算密度將增加4倍。因此，無(wú)論是摩爾定律向前發(fā)展，還是通過(guò)新的計(jì)算范式提高單位面積的計(jì)算能力，喂養(yǎng)計(jì)算能力所需的帶寬都將成為一個(gè)問(wèn)題。在過(guò)去的20年里，硬件的計(jì)算能力增加了9萬(wàn)倍，但是DRAM帶寬和網(wǎng)絡(luò)帶寬只增加了30倍。

西智科技給出的解決方案是數(shù)據(jù)互聯(lián)的新范式——光互聯(lián)。與電互聯(lián)的性能相比，它會(huì)隨著距離的增長(zhǎng)而逐漸下降，而光互聯(lián)受到距離的影響要小得多。孟懷宇博士說(shuō):理想情況下，使用光互聯(lián)更有利于10mm以上的數(shù)據(jù)傳輸，可以給解決帶寬瓶頸和容量瓶頸帶來(lái)更大的可能性，這也是西智科技對(duì)光互聯(lián)新范式的基本邏輯。

對(duì)比光互聯(lián)和電互聯(lián)

目前，光互聯(lián)解決方案已應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，但由于光模塊與使用光模塊的數(shù)字芯片之間的距離往往超過(guò)1米，光互聯(lián)受到電互聯(lián)的限制，導(dǎo)致光互聯(lián)的應(yīng)用范圍僅限于框架、框架甚至服務(wù)器之間的光互聯(lián)。為了消除電互聯(lián)網(wǎng)的瓶頸，西智科技倡導(dǎo)的光互聯(lián)網(wǎng)新范式是將光電轉(zhuǎn)換與數(shù)字芯片高度集成，形成芯片發(fā)光孟懷宇博士以當(dāng)前數(shù)據(jù)中心的資源池趨勢(shì)為例，他說(shuō)：我將把這種廣泛的資源池理解為計(jì)算資源的‘共享經(jīng)濟(jì)’。由于其互聯(lián)性差，一個(gè)服務(wù)器很難訪問(wèn)另一個(gè)服務(wù)器的資源。光互聯(lián)可以幫助實(shí)現(xiàn)更好的互聯(lián)，使大規(guī)模的資源共享成為可能。最后，通過(guò)資源池化，每個(gè)計(jì)算芯片都可以訪問(wèn)更大的內(nèi)存和帶寬，從而解決內(nèi)存墻問(wèn)題。”

光互聯(lián)使數(shù)據(jù)中心的資源池成為可能

超大規(guī)模光電混合集成是實(shí)現(xiàn)上述一切的基礎(chǔ)技術(shù)。在這方面，西智科技也完成了相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證，成功地將集成硅光芯片和3個(gè)電子芯片D垂直堆疊的封裝形式使兩個(gè)芯片之間的距離最小化，實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)有芯片相比 Transceiver集成密度高1000倍以上。

最后，孟懷宇博士還介紹了西智科技光電混合晶圓級(jí)計(jì)算平臺(tái)的解決方案。如今，業(yè)內(nèi)很多公司都推出了晶圓級(jí)計(jì)算平臺(tái)的概念Cerebras公司的WSE芯片。但它們的局限性也很明顯：首先，由于電力不適合長(zhǎng)途通信，最近的鄰里數(shù)據(jù)只能傳輸；其次，它們將面臨更嚴(yán)重的內(nèi)存墻問(wèn)題。在這方面，光電混合晶圓級(jí)計(jì)算平臺(tái)解決方案實(shí)現(xiàn)了任何互聯(lián)拓?fù)洹⒌脱舆t和低能耗。同時(shí)，為了打破內(nèi)存墻

光電混合晶圓級(jí)計(jì)算平臺(tái)曦智科技

自2017年成立以來(lái)，西智科技一直致力于通過(guò)光計(jì)算和光互聯(lián)網(wǎng)組成的新型光電混合計(jì)算模式，繼續(xù)為客戶提供更具創(chuàng)造性和高效的計(jì)算支持。截至2022年3月，西智科技已融資14億元以上，引領(lǐng)全球光子計(jì)算軌道。其基于光互聯(lián)網(wǎng)的最新解決方案目前正在繼續(xù)開(kāi)發(fā)，并將在不久的將來(lái)以產(chǎn)品的形式正式發(fā)布。