非對(duì)稱趕超，光子芯片“加速”進(jìn)行時(shí)
撰文/記者 趙天宇 編輯/劉昭 攝像/新媒體編輯 段大衛(wèi)
光子芯片是利用光子作為信息傳輸和處理載體的新型集成芯片。相比傳統(tǒng)電子芯片，光子芯片以光為信息載體，具有大帶寬、高并行、低功耗的天然優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是未來(lái)大容量數(shù)據(jù)傳輸、人工智能加速計(jì)算等領(lǐng)域最具前景的解決方案之一。
一直以來(lái)，北京高度重視光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，不僅落地建設(shè)了以集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)、光子產(chǎn)業(yè)為主導(dǎo)的“電子城IC/PIC創(chuàng)新中心”，還建設(shè)了全國(guó)首條光電芯片封裝測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)。記者近日獲悉，平臺(tái)一期已建設(shè)完成，將為光電芯片領(lǐng)域初創(chuàng)企業(yè)的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化提供更多支持。
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突破摩爾定律限制
傳統(tǒng)的電子芯片，其性能主要取決于芯片集成的晶體管數(shù)量。通常情況下，構(gòu)成芯片所集成的晶體管數(shù)量越多，芯片計(jì)算能力就越強(qiáng)。但隨著計(jì)算速率和集成度的不斷提高，電子芯片面臨串?dāng)_、功耗、時(shí)延等一系列固有瓶頸，傳統(tǒng)芯片越來(lái)越受到晶體管數(shù)量布局的挑戰(zhàn)。
成立于2017年的光子算數(shù)，是國(guó)內(nèi)最早聚焦光子計(jì)算的芯片企業(yè)之一，其核心技術(shù)采用光子替代電子，完成對(duì)計(jì)算任務(wù)的加速處理，芯片可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)—加工—封裝—測(cè)試的全流程國(guó)產(chǎn)化，目前正利用其獨(dú)到的光電混合集成技術(shù)，解決我國(guó)在某些細(xì)分領(lǐng)域的難題。
“特征尺寸為3nm節(jié)點(diǎn)的制造工藝已經(jīng)非常復(fù)雜，如果繼續(xù)縮小就是原子級(jí)別了（硅原子直徑大約為0.25nm），這時(shí)就需要考慮量子隧穿效應(yīng)導(dǎo)致的電流增加，電子芯片的能耗不減反增?！?在電子城IC/PIC創(chuàng)新中心內(nèi)，光子算數(shù)科技創(chuàng)始人白冰介紹說(shuō)，在這種情況下，必須采用新的技術(shù)方案，光子就是一種很好的選擇。
白冰介紹說(shuō)，在理想狀態(tài)下，光子芯片的計(jì)算速度比電子芯片快約1000倍，同時(shí)功耗更低有望低至aJ/MAC量級(jí)，從性能上突破摩爾定律的限制。
“最為重要的是，光計(jì)算芯片與電子芯片原理不同，不依賴晶體管優(yōu)化，而是通過(guò)光電轉(zhuǎn)換原理、利用光信號(hào)傳播速度更快、功耗更低和不受電磁干擾等特性，實(shí)現(xiàn)更快速度和更低功耗完成特定計(jì)算任務(wù)，同時(shí)芯片制造環(huán)節(jié)全流程都可以在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)下中國(guó)企業(yè)與外國(guó)的技術(shù)水平，基本在同一條起跑線上?！卑妆J(rèn)為，這給國(guó)內(nèi)光電芯片產(chǎn)業(yè)“換道超車”提供了很好的機(jī)遇。
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為計(jì)算卡裝“渦輪增壓”
近年來(lái)，隨著大數(shù)據(jù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，數(shù)據(jù)中心的能耗問題，一直被各級(jí)政府、產(chǎn)業(yè)界和數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)方所關(guān)注。采用光學(xué)計(jì)算芯片應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，提供低功耗的算力，相較于傳統(tǒng)的GPU方案，現(xiàn)階段的技術(shù)水平可以將功耗控制到十分之一。
瞄準(zhǔn)“降低大數(shù)據(jù)算力能耗”這一目標(biāo)，早在2020年，光子算數(shù)團(tuán)隊(duì)就在業(yè)內(nèi)率先開展了技術(shù)應(yīng)用初步驗(yàn)證，并推出了基于自研光計(jì)算芯片的“光電融合AI加速計(jì)算卡”，也成為國(guó)內(nèi)最早嘗試將光子芯片商業(yè)化的企業(yè)之一。
白冰介紹說(shuō)，所謂“光電融合AI加速計(jì)算卡”，就是利用光電混合原理和技術(shù)，讓數(shù)據(jù)在光電兩部分中完成“流動(dòng)”，執(zhí)行一個(gè)完整的計(jì)算過(guò)程的混合AI計(jì)算硬件系統(tǒng)。
在技術(shù)架構(gòu)上，計(jì)算卡一半是電學(xué)部分，包含邏輯控制、緩存和與光學(xué)芯片相配合的定制化IP。另一半是光學(xué)模組，除了光學(xué)計(jì)算芯片外，還有一顆DFB激光器芯片，以及小型的控制、電源芯片等組件。
目前計(jì)算卡可做到30-80路1080P視頻同步處理，功耗不到100W，在混合精度下峰值算力接近120TOPS，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，被應(yīng)急管理部信息研究院、中國(guó)電子科技集團(tuán)某公司等企業(yè)應(yīng)用，隨著技術(shù)的迭代還將不斷優(yōu)化提升算力。白冰做了一個(gè)形象的比喻：“加上光子協(xié)處理引擎模塊，相當(dāng)于給傳統(tǒng)計(jì)算卡加了一個(gè)‘渦輪增壓’?！?/p>
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驗(yàn)證平臺(tái)助力產(chǎn)業(yè)發(fā)展
以光子算數(shù)為代表的光子芯片企業(yè)快速發(fā)展背后，離不開政策、產(chǎn)業(yè)生態(tài)和平臺(tái)的支持：《北京市關(guān)于促進(jìn)高精尖產(chǎn)業(yè)投資推進(jìn)制造業(yè)高端智能綠色發(fā)展的若干措施》當(dāng)中，明確提出要搶先布局光電子、前沿新材料、量子信息等領(lǐng)域未來(lái)前沿產(chǎn)業(yè)。并支持中外機(jī)構(gòu)聯(lián)合建立雙向創(chuàng)新平臺(tái)、項(xiàng)目服務(wù)平臺(tái)、投資平臺(tái)。這為電子城IC/PIC創(chuàng)新中心的快速發(fā)展，奠定了良好的基礎(chǔ)。
2021年，燕東微電子6寸晶圓制造廠在專業(yè)的科技服務(wù)運(yùn)營(yíng)商電子城高科的主導(dǎo)下，變身成為電子城IC/PIC創(chuàng)新中心，為更多“創(chuàng)芯力”科研團(tuán)隊(duì)和企業(yè)，提供了成長(zhǎng)和騰飛的空間。
北京電子城集成電路設(shè)計(jì)服務(wù)公司是電子城IC/PIC創(chuàng)新中心產(chǎn)業(yè)服務(wù)的專業(yè)運(yùn)營(yíng)單位，公司副總經(jīng)理孫洪蘭告訴記者，酒仙橋地區(qū)是國(guó)內(nèi)最早的電子工業(yè)基地，如今通過(guò)更新改造，已經(jīng)從過(guò)去單一的電子工業(yè)聚集區(qū)，變身成中關(guān)村國(guó)家自主創(chuàng)新示范區(qū)的重要組成部分。
“電子城IC/PIC創(chuàng)新中心園區(qū)，以‘中關(guān)村硬科技孵化器、IC產(chǎn)業(yè)生態(tài)創(chuàng)新中心、光子集成技術(shù)創(chuàng)新中心、集成電路與光子應(yīng)用體驗(yàn)中心、 IC/PIC公共技術(shù)服務(wù)平臺(tái)、電子城集成電路服務(wù)公司’為布局，依托電子城高科優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)業(yè)資源和豐富的科技空間運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，整合產(chǎn)業(yè)鏈上下游優(yōu)質(zhì)服務(wù)資源，致力于打造全市首個(gè)集成電路和集成光路雙集成的特色產(chǎn)業(yè)園，助力集成電路設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)與北京市光電子產(chǎn)業(yè)生態(tài)建設(shè)?！睂O洪蘭說(shuō)。
▲封裝測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)
老廠房改造的同時(shí)，園區(qū)還考慮到了科研團(tuán)隊(duì)和初創(chuàng)企業(yè)的需求：光電芯片和傳統(tǒng)電子芯片一樣，在推向市場(chǎng)應(yīng)用前，需要對(duì)芯片進(jìn)行封裝測(cè)試的驗(yàn)證以及小規(guī)模試制，但光電芯片產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)不成熟，尚未形成封裝和測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)化，大型封測(cè)廠難以為新需求提供定制化封裝方案研發(fā)和試樣加工，這無(wú)疑增加了初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)的等待時(shí)間成本和加工成本。
▲光子AI計(jì)算芯片
在電子城高科與光子算數(shù)的共同努力下，2022年，光電芯片封裝測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)第一階段建設(shè)完成。目前已完成平臺(tái)初級(jí)階段的基建改造和潔凈間建設(shè)，初步具備光電芯片基本測(cè)試封裝能力。
▲光電混合AI加速計(jì)算卡
隨著平臺(tái)的落成與投入使用，可以為光電芯片初創(chuàng)企業(yè)提供一站式定制化的封裝測(cè)試驗(yàn)證服務(wù)、進(jìn)行光電子芯片的二次工藝處理以及配套外圍電路的開發(fā)，快速實(shí)現(xiàn)從原型到產(chǎn)品的跨越，為北京光電芯片產(chǎn)業(yè)聚集性發(fā)展提供強(qiáng)有力的支撐。
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