光子芯片——效率更高、能耗更低丨中国工程院院刊_光子_芯片

导读

随着越来越多耗电量大的人工智能不断投入利用，打算机的能源需求也将飞涨。
为降落耗能和对环境的影响，光子芯片——作为一种用光进走运算的芯片，耗电量只有同等级电子芯片的六分之一，逐渐被研发及运用于人工智能、自动驾驶汽车、量子打算等领域。

中国工程院院刊《Engineering》2021年第9期刊发《光子芯片——效率更高、能耗更低》，宣布了光子芯片的研发及运用进展，先容了光子芯片较于其他芯片的优胜性，即光子芯片不存在电阻问题，由于由激光产生的光子能快速通过波导、调制器、反射器等原件阵列，因此，光子芯片产生热量更少、能耗也更低、打算速率也更高。
文章指出，光子芯片将为人工智能带来打破式发展，同样可以帮助其他打算机领域实现能耗降落。

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2021年第9期

作者：Mitch Leslie

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

打算机早已是天下能耗巨子，且随着越来越多耗电量大的人工智能（AI）投入利用，打算机的能源需求也将飞涨。
在各方努力降落AI 耗能和环境影响的进程中，美国马萨诸塞州波士顿的初创公司Lightmatter 宣告，已经研究出一种用光进走运算的芯片，耗电量只有同等级电子芯片的六分之一（图1）。
其他公司也在为AI、自动驾驶汽车、量子打算等运用研发相似的光子芯片。
最近几十年打算性能耗飞涨。
研究职员估计，目前数据中央所耗能源占全天下能源的1%。
仅谷歌一家公司每年就耗费了12 TW·h 以上的能源，比斯里兰卡全体国家耗费的能源还要多。
比特币以及其他种类加密货币的挖矿活动自2009 年兴起，现在耗费的电量也越来越多，最新官方估计比特币挖矿每年耗费电量达121 TW·h。
AI 也是耗电大户，特殊是个中的深度学习、面部识别等功能所必需的深度学习算法。
演习这些算法时，须要处理大量数据，也就相应地须要耗费大量电力，并可能产生巨量二氧化碳。
一项研究估计，深度学习算法演习所需能源相称于一辆汽车在其利用寿命内所耗尽的能源总量。

图1 波士顿Lightmatter 公司所开拓的Envise 光子芯片将用于加速AI 的深度学习。
该公司称一组做事器若利用该芯片，其所花费的电量将大幅降落，而其每秒实行的推理次数将是竞争对手开拓的做事器的三倍以上。
来源：Lightmatter（公共领域）

各个公司也采纳了多种办法抑制能耗并减少打算机打算对景象产生的影响。
例如，数据中央能效得到了有效提升。
2010—2018 年数据中央能耗仅上升了6%，算力则提升了6 倍。
但是利用光子而非电子的光基集成电路在降能耗上表现更为出色。

这些电路能耗如此之低，归功于光的性子。
当电子通过晶体管和其他传统集成电路元件时，会碰着阻力并产生热量。
随着设计者不断将各种元件添加到芯片上，芯片产生的热量自然会升高。
电子这一特性乃至成为了微型芯片性能提升的障碍，同时也是打算性能耗如此之高的紧张缘故原由。
举个例子，数据中央40%的能耗都用于散热。
相较之下，一个光子芯片不存在电阻问题，由于由镭射产生的光子能快速通过波导、调制器、反射器等原件阵列。
因此，光子芯片产生热量更少，能耗也更低。
光子芯片打算速率也更高。
在光基设备中数据以光速移动，比普通电路中电子移动速率快10 倍。
美国马萨诸塞州剑桥市麻省理工学院的电子工程学和打算机工程学副教授Dirk Englund 说道：“物理学使我们有了如此巨大的收成。
”他还称，光子芯片能将处理速率提升6~7 个数量级。

在电路上用光子代替电子这一设想由来已久。
20 世纪六七十年代，研究者就已经开始开拓光子芯片了。
那时候，部分专家估量光子芯片会像传统集成芯片一样迅速微型化。
至1990 年，美国新泽西州茉莉山的贝尔实验室就制作出了光子打算机的原型机。
该原型性能利用光进行打算。
但是光子芯片发展步伐从未追上电子芯片。
Englund 说，个中一个缘故原由便是虽然工程师能将电子元件缩小，让一个芯片上集成数十亿元件，但是他们不知道若何才能将光子元件也缩小到如此地步。
“三十年前，人们还难以让光子元件足够紧凑。
”

自此往后，光子设备制造方法也不断优化，使得光子元件也越来越小。
例如，微型版的马赫-曾德尔干涉仪（Mach-Zehnder interferometer）是有希望制造出来的。
马赫-曾德尔干涉仪是Lightmatter 公司制造新型芯片的关键元件，其能分离光束，由此使设备实行矩阵乘法打算。
但是光子芯片上的元件数量仍远逊于电子芯片。
加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校电子与打算机工程及材料学教授John Bowers 称，当前光子芯片元件数量也只是一万出头。
但是经由数十年的发展，光子集成电路已经集成了各种元件，个中就包括可以通过光纤通信的收发器。
现在，性能更强的光子芯片也陆续商业化或进入研发阶段。
研究职员正在研发的光子集成电路能够处理激光探测及测距系统的数据，该系统用于自动驾驶汽车。
加拿大多伦多的一家公司Xanadu 2021 年所公布的光子芯片可帮助研发量子打算机，与其竞争对手不同，运用此类芯片的打算机将无需极低温事情环境。

光子芯片将为AI 带来打破式发展，不但由于其极高的运行速率和低能耗。
Englund 说，光子芯片可以轻松运算矩阵向量乘法，同时支持深度学习。
而且，传统集成电路无法胜任的线性代数打算，对光子芯片来说也不在话下。

数家公司都在为AI 开拓光子芯片，个中就包括位于波士顿的Lightelligence 公司。
然而，Lightmatter 公司的Envise 芯片是最靠近商业化的。
公司称该芯片比较当前顶尖电子芯片快10 倍，且能耗只有后者的15%。
不过还没有第三方对这些数据进行核验。
Lightmatter 公司操持将在一个刀片做事器中利用16 个芯片，组成一个数据中央专用AI 打算机，并在2021 年下半年与消费者见面。
当然这种设备并非只采取光子芯片，它也包含电子芯片。
Bowers 认为：“Lightmatter 公司的产品是一个巨大的进步。
”

光子芯片同样可以帮助其他打算机领域实现能耗降落。
比如，部分专家认为这类设备能够抑制加密货币挖矿的能源需求。
然而，这些光子芯片也有局限性。
Englund说，首先，研发光基内存极为困难，只能采取传统电子芯片为Envise 供应内存。
此外，光子芯片是仿照打算，打算精度可能比不上电子芯片。
因此，Lightmatter公司所售刀片做事器的紧张卖点是“加速器”，用于帮助受过演习的AI算法运行。

此外，AI 研究职员称他们很高兴能立时拿到光子芯片进行测试。
Englund 说：“我们立时就能看到比较结果，见识到光基设备有多强大。
”

注：本文内容呈现略有调度，若需可查看原文。

改编原文：

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

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背景简介：文章2022年1月30日揭橥于微信"大众年夜众号 中国工程院院刊（光子芯片——效率更高、能耗更低丨Engineering），风云之声获授权转载。

任务编辑：祝阳