導(dǎo)讀

　　隨著越來越多耗電量大的人工智能不斷投入使用,，計(jì)算機(jī)的能源需求也將飛漲。為降低耗能和對(duì)環(huán)境的影響,，芯片" target="_blank">光子芯片——作為一種用光進(jìn)行運(yùn)算的芯片，耗電量只有同等級(jí)電子芯片的六分之一,，逐漸被研發(fā)及應(yīng)用于人工智能,、自動(dòng)駕駛汽車,、量子計(jì)算等領(lǐng)域。

　　中國工程院院刊《Engineering》2021年第9期刊發(fā)《光子芯片——效率更高,、能耗更低》,，報(bào)道了光子芯片的研發(fā)及應(yīng)用進(jìn)展，介紹了光子芯片較于其他芯片的優(yōu)越性,，即光子芯片不存在電阻問題,，因?yàn)橛杉す猱a(chǎn)生的光子能快速通過波導(dǎo)、調(diào)制器,、反射器等原件陣列,，因此，光子芯片產(chǎn)生熱量更少,、能耗也更低,、計(jì)算速度也更高。文章指出,，光子芯片將為人工智能帶來突破式發(fā)展,，同樣可以幫助其他計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)能耗降低。

　　本文選自中國工程院院刊《Engineering》2021年第9期

作者：Mitch Leslie

來源：

Light-Based Chips Promise to Slash Energy Use and Increase Speed[J].Engineering,2021,7(9):1195-1196.

　　計(jì)算機(jī)早已是世界能耗巨頭,，且隨著越來越多耗電量大的人工智能（AI）投入使用,，計(jì)算機(jī)的能源需求也將飛漲。在各方努力降低AI 耗能和環(huán)境影響的進(jìn)程中,，美國馬薩諸塞州波士頓的初創(chuàng)公司Lightmatter 宣布，已經(jīng)研究出一種用光進(jìn)行運(yùn)算的芯片,，耗電量只有同等級(jí)電子芯片的六分之一（圖1）,。其他公司也在為AI、自動(dòng)駕駛汽車,、量子計(jì)算等應(yīng)用研發(fā)相似的光子芯片,。最近幾十年計(jì)算機(jī)能耗飛漲。研究人員估計(jì),，目前數(shù)據(jù)中心所耗能源占全世界能源的1%,。僅谷歌一家公司每年就耗費(fèi)了12 TW·h 以上的能源，比斯里蘭卡整個(gè)國家耗費(fèi)的能源還要多,。比特幣以及其他種類加密貨幣的挖礦活動(dòng)自2009 年興起,，現(xiàn)在耗費(fèi)的電量也越來越多，最新官方估計(jì)比特幣挖礦每年耗費(fèi)電量達(dá)121 TW·h,。AI 也是耗電大戶,，特別是其中的深度學(xué)習(xí)、面部識(shí)別等功能所必需的深度學(xué)習(xí)算法,。訓(xùn)練這些算法時(shí),，需要處理大量數(shù)據(jù),，也就相應(yīng)地需要耗費(fèi)大量電力，并可能產(chǎn)生巨量二氧化碳,。一項(xiàng)研究估計(jì),，深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練所需能源相當(dāng)于一輛汽車在其使用壽命內(nèi)所耗盡的能源總量。

    　圖1 波士頓Lightmatter 公司所開發(fā)的Envise 光子芯片將用于加速AI 的深度學(xué)習(xí),。該公司稱一組服務(wù)器若使用該芯片,，其所消耗的電量將大幅降低，而其每秒執(zhí)行的推理次數(shù)將是競爭對(duì)手開發(fā)的服務(wù)器的三倍以上,。來源：Lightmatter（公共領(lǐng)域）

　　各個(gè)公司也采取了多種方式抑制能耗并減少計(jì)算機(jī)計(jì)算對(duì)氣候產(chǎn)生的影響,。例如，數(shù)據(jù)中心能效得到了有效提升,。2010—2018 年數(shù)據(jù)中心能耗僅上升了6%,，算力則提升了6 倍。但是使用光子而非電子的光基集成電路在降能耗上表現(xiàn)更為出色,。

　　這些電路能耗如此之低,，歸功于光的性質(zhì)。當(dāng)電子通過晶體管和其他傳統(tǒng)集成電路元件時(shí),，會(huì)遇到阻力并產(chǎn)生熱量,。隨著設(shè)計(jì)者不斷將各種元件添加到芯片上，芯片產(chǎn)生的熱量自然會(huì)升高,。電子這一特性甚至成為了微型芯片性能提升的障礙,，同時(shí)也是計(jì)算機(jī)能耗如此之高的主要原因。舉個(gè)例子,，數(shù)據(jù)中心40%的能耗都用于散熱,。相較之下，一個(gè)光子芯片不存在電阻問題,，因?yàn)橛设D射產(chǎn)生的光子能快速通過波導(dǎo),、調(diào)制器、反射器等原件陣列,。因此,，光子芯片產(chǎn)生熱量更少，能耗也更低,。光子芯片計(jì)算速度也更高,。在光基設(shè)備中數(shù)據(jù)以光速移動(dòng)，比普通電路中電子移動(dòng)速度快10 倍,。美國馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的電子工程學(xué)和計(jì)算機(jī)工程學(xué)副教授Dirk Englund 說道：“物理學(xué)使我們有了如此巨大的收獲,。”他還稱，光子芯片能將處理速度提升6~7 個(gè)數(shù)量級(jí),。

　　在電路上用光子代替電子這一設(shè)想由來已久,。20 世紀(jì)六七十年代，研究者就已經(jīng)開始開發(fā)光子芯片了,。那時(shí)候,，部分專家預(yù)計(jì)光子芯片會(huì)像傳統(tǒng)集成芯片一樣迅速微型化。至1990 年,，美國新澤西州茉莉山的貝爾實(shí)驗(yàn)室就制作出了光子計(jì)算機(jī)的原型機(jī),。該原型機(jī)能使用光進(jìn)行計(jì)算。但是光子芯片發(fā)展步伐從未追上電子芯片,。Englund 說,，其中一個(gè)原因就是雖然工程師能將電子元件縮小，讓一個(gè)芯片上集成數(shù)十億元件,，但是他們不知道怎樣才能將光子元件也縮小到如此地步,。“三十年前,，人們還難以讓光子元件足夠緊湊,。”

　　自此以后,，光子設(shè)備制造方法也不斷優(yōu)化,，使得光子元件也越來越小。例如,，微型版的馬赫-曾德爾干涉儀（Mach-Zehnder interferometer）是有希望制造出來的,。馬赫-曾德爾干涉儀是Lightmatter 公司制造新型芯片的關(guān)鍵元件，其能分離光束,，由此使設(shè)備執(zhí)行矩陣乘法計(jì)算,。但是光子芯片上的元件數(shù)量仍遠(yuǎn)遜于電子芯片。加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校電子與計(jì)算機(jī)工程及材料學(xué)教授John Bowers 稱,，當(dāng)前光子芯片元件數(shù)量也只是一萬出頭。但是經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展,，光子集成電路已經(jīng)集成了各種元件,，其中就包括可以通過光纖通信的收發(fā)器。現(xiàn)在,，性能更強(qiáng)的光子芯片也陸續(xù)商業(yè)化或進(jìn)入研發(fā)階段,。研究人員正在研發(fā)的光子集成電路能夠處理激光探測(cè)及測(cè)距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)用于自動(dòng)駕駛汽車,。加拿大多倫多的一家公司Xanadu 2021 年所公布的光子芯片可幫助研發(fā)量子計(jì)算機(jī),，與其競爭對(duì)手不同，應(yīng)用此類芯片的計(jì)算機(jī)將無需極低溫工作環(huán)境。

　　光子芯片將為AI 帶來突破式發(fā)展,，不只因?yàn)槠錁O高的運(yùn)行速度和低能耗,。Englund 說，光子芯片可以輕松運(yùn)算矩陣向量乘法,，同時(shí)支持深度學(xué)習(xí),。而且，傳統(tǒng)集成電路無法勝任的線性代數(shù)計(jì)算,，對(duì)光子芯片來說也不在話下,。

　　數(shù)家公司都在為AI 開發(fā)光子芯片，其中就包括位于波士頓的Lightelligence 公司,。然而,，Lightmatter 公司的Envise 芯片是最接近商業(yè)化的。公司稱該芯片相比當(dāng)前頂尖電子芯片快10 倍,，且能耗只有后者的15%,。不過還沒有第三方對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行核驗(yàn)。Lightmatter 公司計(jì)劃將在一個(gè)刀片服務(wù)器中使用16 個(gè)芯片,，組成一個(gè)數(shù)據(jù)中心專用AI 計(jì)算機(jī),，并在2021 年下半年與消費(fèi)者見面。當(dāng)然這種設(shè)備并非只采用光子芯片,，它也包含電子芯片,。Bowers 認(rèn)為：“Lightmatter 公司的產(chǎn)品是一個(gè)巨大的進(jìn)步?！?/p>

　　光子芯片同樣可以幫助其他計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)能耗降低,。比如，部分專家認(rèn)為這類設(shè)備能夠抑制加密貨幣挖礦的能源需求,。然而,，這些光子芯片也有局限性。Englund說,，首先,，研發(fā)光基內(nèi)存極為困難，只能采用傳統(tǒng)電子芯片為Envise 提供內(nèi)存,。此外,，光子芯片是模擬計(jì)算，計(jì)算精度可能比不上電子芯片,。因此,，Lightmatter公司所售刀片服務(wù)器的主要賣點(diǎn)是“加速器”，用于幫助受過訓(xùn)練的AI算法運(yùn)行,。

　　此外,，AI 研究人員稱他們很高興能馬上拿到光子芯片進(jìn)行測(cè)試。Englund 說：“我們馬上就能看到比較結(jié)果，見識(shí)到光基設(shè)備有多強(qiáng)大,?！?/p>

　　注：本文內(nèi)容呈現(xiàn)略有調(diào)整，若需可查看原文,。

改編原文：

　　Mitch Leslie.Light-Based Chips Promise to Slash Energy Use and Increase Speed[J].Engineering,2021,7(9):1195-1196.