“光子芯片”——讓光提供運(yùn)算能力，中國(guó)“芯”助跑人工智能

從三國(guó)的“木牛流馬”到現(xiàn)代的自動(dòng)駕駛，讓“物”具有一部分人的智能，是人類一直以來(lái)的夢(mèng)想。

近年來(lái)，中國(guó)在人工智能各個(gè)領(lǐng)域全面發(fā)力。以機(jī)器人為例，《2019年中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》顯示，今年我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到86.8億美元，2014-2019年的平均增長(zhǎng)率達(dá)到20.9%。

人工智能發(fā)展離不開計(jì)算能力的飛躍，芯片就是計(jì)算機(jī)的大腦。如今，國(guó)內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)正在突破各種不同形式的芯片，在人工智能的比拼中差異化生存。

【長(zhǎng)報(bào)道】

2008年，白冰來(lái)到北京理工大學(xué)就讀光電子專業(yè)。

那時(shí)，距離圍棋“人機(jī)大戰(zhàn)”還有很多年，自動(dòng)駕駛汽車未在亦莊路測(cè)，人工智能尚在萌芽中。

本科后兩年，白冰交換到澳大利亞國(guó)立大學(xué)物理光學(xué)專業(yè)，并在澳大利亞讀完碩士。2014年，25歲的白冰結(jié)束4年留學(xué)生涯，回國(guó)攻讀博士。“我那時(shí)候經(jīng)常去聽各種學(xué)術(shù)會(huì)議，結(jié)識(shí)了各種志同道合的朋友，也認(rèn)識(shí)整個(gè)芯片行業(yè)上下游的各種企業(yè)。”

2017年，白冰開始創(chuàng)業(yè)，組建了全球第二個(gè)光子人工智能芯片研究團(tuán)隊(duì)。他們制作的光子芯片——硅光AI芯片，有望擺脫對(duì)國(guó)外高制程光刻機(jī)的依賴，成為我國(guó)在芯片領(lǐng)域換道超車的核心技術(shù)。

這是我國(guó)打造核“芯”競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)縮影。

有了更多更強(qiáng)更好用的芯片，人工智能產(chǎn)業(yè)得以蓬勃發(fā)展，《2019-2020中國(guó)人工智能計(jì)算力發(fā)展評(píng)估報(bào)告》提到，圍繞京津冀、長(zhǎng)三角、大灣區(qū)三大經(jīng)濟(jì)圈形成的人工智能三大產(chǎn)業(yè)集群已初具雛形。

白冰和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)制作的硅光AI芯片。攝影/新京報(bào)記者 王貴彬

“光子芯片”——讓光提供運(yùn)算能力

我們的世界充滿著光。

用光做傳輸信號(hào)，讓光轉(zhuǎn)換為能量，大家都能理解，但說(shuō)到讓光提供運(yùn)算能力，不少人都是一頭霧水。

光子芯片，就能向光“要來(lái)”運(yùn)算能力，是白冰和團(tuán)隊(duì)致力研發(fā)的領(lǐng)域。

目前，業(yè)界使用的芯片一般為電子芯片（半導(dǎo)體芯片），即超大規(guī)模集成電路，一塊芯片上有幾百萬(wàn)的晶體管。而光子芯片上有無(wú)數(shù)個(gè)光學(xué)開關(guān)器，利用不同波長(zhǎng)、相位和強(qiáng)度的光線組合進(jìn)行信息處理。

“對(duì)于光來(lái)說(shuō)，傳輸就是計(jì)算。比如光通過(guò)一個(gè)透鏡發(fā)生折射，你通過(guò)透鏡看到另一端的物體變形了。圖像經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化傳到你的眼睛的過(guò)程中，透鏡使得圖像發(fā)生了變化，這就是一個(gè)計(jì)算的過(guò)程?！卑妆f(shuō)。

白冰和初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)多有光通信背景，對(duì)于使用光進(jìn)行計(jì)算的想法，白冰覺得很自然，“技術(shù)已經(jīng)到了這個(gè)程度”。這也是他們團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)楹芏喱F(xiàn)成的光學(xué)元件可以直接拿來(lái)用。

光子芯片如何與人工智能搭上邊？白冰解釋，如果一個(gè)芯片跑得非?？?、非常省電，一定是芯片的物理結(jié)構(gòu)與軟件高度匹配，才能實(shí)現(xiàn)高效率。現(xiàn)在的人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛、安防監(jiān)控、AI金融、AI醫(yī)療等功能，都依賴人工智能算法，一款能跟算法匹配的芯片，就是人工智能芯片。

實(shí)現(xiàn)人工智能需要大量線性運(yùn)算，而光子芯片天生適合線性計(jì)算——算法高度匹配，計(jì)算速度比普通電子芯片高?！肮鈱W(xué)計(jì)算芯片在實(shí)驗(yàn)室一直存在，但長(zhǎng)期沒有比較好的應(yīng)用場(chǎng)景，無(wú)法落地應(yīng)用，人工智能的發(fā)展使得光子芯片有了用武之地。”白冰說(shuō)。

2017年中，白冰和團(tuán)隊(duì)想法成熟，開始著手畫圖和設(shè)計(jì)。

“設(shè)計(jì)用了幾個(gè)月，2018年初做出了芯片?！卑妆f(shuō)，芯片的設(shè)計(jì)、加工、封裝、測(cè)試全部在國(guó)內(nèi)完成，最初花費(fèi)近百萬(wàn)元，他自掏腰包。

他們制作的硅光AI芯片采用國(guó)內(nèi)130nm微電子工藝，工藝制程容忍度很高，擺脫了對(duì)于國(guó)外高制程光刻機(jī)的依賴，國(guó)內(nèi)很多廠商都能做。“光子芯片可以說(shuō)是我國(guó)在芯片領(lǐng)域換道超車的核心技術(shù)?！?/p>

雖然無(wú)需最新工藝，光子芯片的性能毫不遜色。

“光子芯片能提供電子芯片10倍以上的算力”，白冰介紹。

2018年，全國(guó)雙創(chuàng)周北京主會(huì)場(chǎng)，白冰和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)拿出硅光AI芯片樣本，吸引了很多人駐足。當(dāng)年第四屆中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽上，白冰作為負(fù)責(zé)人的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《光子人工智能芯片》參加比賽并獲得銀獎(jiǎng)。

如今，他們?cè)谥嘘P(guān)村國(guó)防科技園有了自己的辦公室，建立了超凈實(shí)驗(yàn)室，光子人工智能芯片項(xiàng)目也成功簽約落戶順義。按照白冰的暢想，未來(lái)光子芯片主要還是瞄準(zhǔn)人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展。目前，光子人工智能芯片的產(chǎn)品主要集中于云端，之后將推向設(shè)備端。

白冰正在超凈實(shí)驗(yàn)室操作半自動(dòng)芯片測(cè)試平臺(tái)。攝影/新京報(bào)記者 王貴彬

智慧城市的“大腦”

功耗是光子芯片的另一大賣點(diǎn)。無(wú)論是性能功耗比還是單位美元提供算力，光子芯片都比電子芯片更有優(yōu)勢(shì)。

“電子芯片的功耗比已經(jīng)到了瓶頸，但是光子芯片的能力還遠(yuǎn)沒有到頂。我們希望更多資源進(jìn)來(lái)，一起優(yōu)化光子芯片的能力?！卑妆榻B，光子人工智能芯片的功耗僅為電子芯片的十分之一，能效比可達(dá)10T/W。

中科院上海微系統(tǒng)所所長(zhǎng)助理秦曦介紹，集成電路的發(fā)展已趨于極限，而通過(guò)硅光集成，用光代替原來(lái)的電進(jìn)行傳輸，成本有可能降低到原來(lái)的十分之一，甚至更低。

前不久，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商都采購(gòu)了光子芯片進(jìn)行功耗測(cè)試。在未來(lái)的智慧城市建設(shè)中，光子芯片被寄予厚望。

“智慧城市需要建設(shè)很多‘智慧大腦’作為信息處理中心，然后通過(guò)5G將計(jì)算能力傳出去。光子芯片可以作為‘智慧大腦’的面板，降低能耗?！?/p>

白冰介紹，光子芯片還可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、智能機(jī)器人、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域。

下一步，白冰團(tuán)隊(duì)將在硬件基礎(chǔ)上提供底層工具，希望國(guó)內(nèi)高校、科研院所以及企業(yè)，共同參與，建立完整的光子芯片生態(tài)系統(tǒng)。

多所高校正在光子芯片領(lǐng)域攻堅(jiān)。今年第五期《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》上，北京大學(xué)物理學(xué)院陳建軍研究員介紹，光子芯片技術(shù)的逐漸成熟必將引起光信息技術(shù)領(lǐng)域的又一次革命，將在通信、醫(yī)療、計(jì)算、國(guó)防、能源等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆式的革新。

白冰和團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)的硅光AI芯片測(cè)試系統(tǒng)。攝影/新京報(bào)記者 王貴彬

“井噴”的人工智能芯片

光子芯片不是唯一能實(shí)現(xiàn)人工智能的芯片。

近兩年的全國(guó)雙創(chuàng)周上，不少企業(yè)推出了其他種類豐富的人工智能芯片。

例如，清微智能研發(fā)的可重構(gòu)芯片，可在超低功耗下實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別。

可重構(gòu)是清微智能的核心技術(shù)。首席技術(shù)官歐陽(yáng)鵬解釋，所謂可重構(gòu)，就是沒有把整個(gè)電路做“死”。例如，人臉檢測(cè)和語(yǔ)音識(shí)別是兩個(gè)應(yīng)用、兩個(gè)算法，對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)不同的電路，“這兩個(gè)不同的電路，我們只用一顆芯片，切換一下，就能從一個(gè)電路變成另外一個(gè)電路。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)有很多難點(diǎn)，比如如何讓電路切換更加高效，用了很長(zhǎng)時(shí)間才實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定?！?/p>

存算一體芯片領(lǐng)域，也有團(tuán)隊(duì)在深耕。

知存科技是國(guó)內(nèi)唯一一家應(yīng)用存算一體技術(shù)的公司。工作人員易金剛解釋，儲(chǔ)存和運(yùn)算分開，數(shù)據(jù)進(jìn)行交互時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)吞吐。隨著用戶對(duì)視頻和語(yǔ)音等應(yīng)用的需求越來(lái)越大，數(shù)據(jù)吞吐率成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸，把計(jì)算和存儲(chǔ)盡可能融合在一起，是一個(gè)解決方案。以智能耳機(jī)為例，芯片經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后，能學(xué)習(xí)音量增大、音量減小、上一首、下一首、開機(jī)、關(guān)機(jī)等關(guān)鍵詞，因?yàn)椴捎?a href="http://www.wenjunhu.com/tags/神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)/" target="_blank">神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式，匹配度極高。

易金剛表示，目前人工智能有幾大主流分支，最重要的就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，通過(guò)不斷迭代和推理過(guò)程來(lái)完成人工智能計(jì)算，很多大公司在做，但是需要借助云端服務(wù)?！拔覀冞@個(gè)產(chǎn)品把云端放到端點(diǎn)這邊來(lái)解決，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和計(jì)算中最復(fù)雜、最耗代價(jià)的部分通過(guò)存算一體芯片來(lái)完成。”

北京靈汐科技生產(chǎn)的自行車，周身纏繞著鱗次櫛比的線路，連接著各類傳感器，車后座上的芯片被稱為類腦芯片。依靠芯片，自行車能跟在人后跑，前面有障礙物，自行車也能從周圍繞過(guò)。自行車還能進(jìn)行語(yǔ)音辨認(rèn)，履行轉(zhuǎn)向、加速等多種操作。

“自行車僅僅是一個(gè)載體，核心技術(shù)就是類腦芯片。這輛車本身的造價(jià)為40萬(wàn)元，而芯片的研制本錢超過(guò)1億元?！北本╈`汐科技公司副總經(jīng)理梅迪說(shuō)。

上個(gè)月，清華大學(xué)發(fā)布全球首款異構(gòu)融合類腦芯片，并登上了Nature雜志封面。其實(shí)，這款芯片也曾在雙創(chuàng)周多次亮相。

實(shí)驗(yàn)人員展示硅光AI芯片的光電混合封裝。攝影/新京報(bào)記者 王貴彬

我國(guó)有望形成人工智能三大產(chǎn)業(yè)群

我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)起源于上世紀(jì)50年代，1953年，蘇聯(lián)援建的北京電子管廠開建，一度是亞洲最大的晶體管廠。

最早，我們走的是自主研發(fā)道路，盡管面臨國(guó)際技術(shù)封鎖，落后并不多，但在隨后的世界芯片業(yè)快速發(fā)展期，差距被迅速拉大。

1977年，全國(guó)600多家半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠，一年生產(chǎn)的集成電路總量，只等于日本一家大型工廠月產(chǎn)量的十分之一。

痛定思痛之后，我國(guó)先后推出“909工程”以及“國(guó)產(chǎn)高性能SOC芯片”“龍芯2號(hào)增強(qiáng)型處理器芯片設(shè)計(jì)”等課題。

2014年，總額超1200億元國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金成立，專為促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而設(shè)立。

如今，以光子芯片為代表，“中國(guó)芯”正受到更多關(guān)注。

2017年底，工信部發(fā)布的《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》披露，高速率光子芯片國(guó)產(chǎn)化率僅3%左右，并提出2022年中低端光子芯片國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)60%，高端光子芯片國(guó)產(chǎn)化率突破20%的目標(biāo)。

在北京，以芯片等為代表的高新技術(shù)，正在引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級(jí)，一些芯片企業(yè)開始在國(guó)內(nèi)甚至國(guó)際市場(chǎng)嶄露頭角。

國(guó)內(nèi)首家碳化硅芯片企業(yè)總經(jīng)理陳彤表示，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展了近半個(gè)世紀(jì)，總體上這幾年來(lái)各個(gè)方向都碰到了瓶頸?！艾F(xiàn)在用新型的化合物材料替代原本的硅材料，才能為用戶提供更高性能的芯片。這是近年全球出現(xiàn)的一個(gè)技術(shù)升級(jí)換代的趨勢(shì)，這個(gè)新趨勢(shì)就為國(guó)內(nèi)的新企業(yè)、新供應(yīng)商提供了機(jī)會(huì)，進(jìn)入這個(gè)常被國(guó)外大企業(yè)壟斷封鎖的高端行業(yè)?！?/p>

陳彤認(rèn)為，芯片行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)沒有國(guó)界限制，只能拼質(zhì)量、拼服務(wù)、拼技術(shù)，沒有捷徑可走。他的企業(yè)前前后后花了兩個(gè)多億，才能搶占一個(gè)橋頭堡?！巴跺X建線的過(guò)程就要兩三年，投產(chǎn)爬坡又要五六年。”陳彤說(shuō)。

得益于芯片產(chǎn)業(yè)的扎實(shí)基礎(chǔ)，我國(guó)人工智能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

2019中國(guó)人工智能計(jì)算大會(huì)發(fā)布的《2019-2020中國(guó)人工智能計(jì)算力發(fā)展評(píng)估報(bào)告》提到，圍繞京津冀、長(zhǎng)三角、大灣區(qū)三大經(jīng)濟(jì)圈形成的人工智能三大產(chǎn)業(yè)集群已初具雛形。

各城市正在不同領(lǐng)域發(fā)力。

北京市經(jīng)信局局長(zhǎng)王剛此前透露，北京正在制定《北京市機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)方案》，或?qū)?gòu)建醫(yī)療健康機(jī)器人、特種機(jī)器人、協(xié)作機(jī)器人、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人和關(guān)鍵零部件4+1產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局。到2021年，培育三到五家細(xì)分領(lǐng)域龍頭企業(yè)，機(jī)器人及相關(guān)產(chǎn)業(yè)收入超過(guò)120億元。

上海已開始光子芯片布局，2017年將硅光子列入首批市級(jí)重大專項(xiàng)，計(jì)劃到2021年建成全國(guó)硅光子芯片研發(fā)和中試基地，到2025年量產(chǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)芯片批量供貨，成為國(guó)際知名硅光子的研發(fā)、制造基地。

珠三角方面，以廣州市南沙區(qū)為例，已成立人工智能研究院、推出產(chǎn)業(yè)基金，并打造人工智能產(chǎn)業(yè)園。《廣州南沙人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》提出，到2020年，建成國(guó)際領(lǐng)先的人工智能產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)，形成一批富有活力和可持續(xù)發(fā)展的“AI+”新型產(chǎn)業(yè)。

人工智能的標(biāo)準(zhǔn)化也在進(jìn)行中。2018年1月，國(guó)家人工智能標(biāo)準(zhǔn)化總體組、專家咨詢組成立，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作。今年4月，國(guó)家人工智能標(biāo)準(zhǔn)化總體組第二次全體會(huì)議召開，發(fā)布了人工智能開源與標(biāo)準(zhǔn)化研究、人工智能倫理風(fēng)險(xiǎn)分析等研究成果，《國(guó)家新一代人工智能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》也進(jìn)入審改完善階段。

光子算數(shù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人白冰。受訪者供圖

【親歷者說(shuō)】

光子算數(shù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人白冰：硅光AI芯片可逐步替代進(jìn)口高端芯片

我國(guó)微電子工藝與國(guó)外至少有3代差距，直接導(dǎo)致了國(guó)產(chǎn)市場(chǎng)占有率低，高端人工智能芯片嚴(yán)重依賴進(jìn)口等受制于人的局面。

2017年，我們幾個(gè)博士聚在一起開始研究光子芯片。這個(gè)工作涉及多領(lǐng)域深度交叉融合，當(dāng)時(shí)基本聚集了北京的主要高校，學(xué)科也是從軟到硬都有覆蓋。

我們從學(xué)術(shù)研討到走向產(chǎn)業(yè)化，一步步摸索出了硅光AI芯片這樣一個(gè)新技術(shù)。

近些年，人工智能產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，采用單一電子技術(shù)已經(jīng)無(wú)法滿足當(dāng)前人工智能芯片性能的需要，也限制了人工智能產(chǎn)業(yè)的落地和發(fā)展。硅光AI芯片融合人工智能、光電子集成和微電子等多領(lǐng)域技術(shù)創(chuàng)新，采用國(guó)內(nèi)成熟的硅基集成光電子工藝完成，擺脫對(duì)國(guó)外先進(jìn)制程光刻機(jī)依賴的同時(shí)，將光子技術(shù)引入傳統(tǒng)微電子芯片架構(gòu)，為下一代高性能、低功耗人工智能芯片開辟道路，對(duì)加快人工智能產(chǎn)業(yè)落地，扭轉(zhuǎn)我國(guó)在高端芯片領(lǐng)域受制于人的局面具有重大意義。

硅光AI芯片的研發(fā)、落地將掀起新一輪科技和產(chǎn)業(yè)革命，自下而上地改變國(guó)內(nèi)人工智能產(chǎn)業(yè)生態(tài)環(huán)境，以“高端芯片國(guó)產(chǎn)可控”為標(biāo)志推動(dòng)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革。

2015年，《Nature》報(bào)道了世界首個(gè)光電混合集成CPU，基于光電子集成工藝，在同一塊襯底上集成了7000萬(wàn)個(gè)晶體管和850個(gè)光學(xué)元件，這是傳統(tǒng)電子架構(gòu)向光電異構(gòu)轉(zhuǎn)變的開端，帶來(lái)嶄新的計(jì)算形式。2018年底，北京交通大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)成功演示了基于光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的人工智能計(jì)算任務(wù)，并在國(guó)內(nèi)完成了所有芯片相關(guān)的制備和封裝。

從產(chǎn)品替代性角度看，硅光AI芯片可以逐步替代進(jìn)口高端人工智能芯片。

具體來(lái)說(shuō)，硅光AI芯片在電子技術(shù)基礎(chǔ)上引入光子技術(shù)，以光學(xué)手段彌補(bǔ)、提升高制程工藝下人工智能芯片的性能，進(jìn)而媲美進(jìn)口低制程芯片，因此可以極大地動(dòng)搖進(jìn)口高端人工智能芯片在我國(guó)的壟斷地位。

【同題問(wèn)答】

新京報(bào)：你認(rèn)為新中國(guó)成立70周年最大的變化和進(jìn)步是什么？

白冰（光子算數(shù)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)始人）：實(shí)現(xiàn)人工智能一直是人類的愿望，各種機(jī)器人很早就出現(xiàn)在科幻作品中。

以新中國(guó)70周年的跨度來(lái)看，人工智能是從無(wú)到有，甚至在21世紀(jì)才實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，光和人工智能的“相遇”更是最近幾年才有了眉目。硅光芯片研發(fā)在我國(guó)起步于2004年，之后在設(shè)計(jì)、制造、封測(cè)、軟件工具等方面取得了全產(chǎn)業(yè)鏈條的迅速發(fā)展，逐漸成為一個(gè)未來(lái)可期的產(chǎn)業(yè)。

近年來(lái)，全國(guó)和北京都在雙創(chuàng)上給了很多政策，我從博士研究生時(shí)開始創(chuàng)業(yè)，在雙創(chuàng)周的亮相讓我們獲得了一定的關(guān)注。我覺得，新中國(guó)成立70周年，除了技術(shù)已經(jīng)演進(jìn)到了人工智能時(shí)代，良好的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)的政策也激勵(lì)了很多創(chuàng)業(yè)者，使我堅(jiān)信光子芯片可以在人工智能時(shí)代大放異彩。