極客網(wǎng)·極客觀察3月25日 一直以來(lái)，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能耗過(guò)高的問(wèn)題困擾著AI硬件的發(fā)展，最近，美國(guó)哥倫比亞大學(xué)的工程師公布一項(xiàng)研究成果——3D光子電子芯片(3D光電子芯片)，國(guó)內(nèi)也有相關(guān)創(chuàng)新成果公布，它也許能幫我們解決此問(wèn)題。

3D光電子芯片有哪些創(chuàng)新呢？它將基于光的數(shù)據(jù)遷移技術(shù)和CMOS電子技術(shù)相結(jié)合，大幅提升了能效和帶寬。如果該技術(shù)真的可以大規(guī)模應(yīng)用，當(dāng)我們傳輸數(shù)據(jù)時(shí)速度會(huì)更快，能耗也會(huì)更低；它將給自動(dòng)駕駛汽車(chē)、超大型AI模型及其他技術(shù)帶來(lái)深遠(yuǎn)影響。

業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為，3D光電子芯片具有變革性意義，但其應(yīng)用落地面臨三大挑戰(zhàn)，最終成效還有待觀察。

新突破有什么意義

目前研究成果已經(jīng)發(fā)表于《自然光子學(xué)》雜志（Nature Photonics），它由哥倫比亞大學(xué)電子工程系教授克倫·伯格曼（Keren Bergman）和查爾斯·巴徹勒( Charles Batchelor)領(lǐng)銜發(fā)表。團(tuán)隊(duì)將光子學(xué)技術(shù)和先進(jìn)CMOS電子技術(shù)融合，不僅實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速高效移動(dòng)，還解決了低能耗下海量數(shù)據(jù)的極速遷移問(wèn)題。

伯格曼教授稱(chēng)：“如果使用我們開(kāi)發(fā)的技術(shù)，可以以空前低的能耗傳輸大量數(shù)據(jù)。數(shù)十年來(lái)，計(jì)算機(jī)和AI系統(tǒng)一直受到能耗的困擾，我們的創(chuàng)新突破可以緩解此問(wèn)題?！?/p>

哥倫比亞大學(xué)工程團(tuán)隊(duì)與康奈爾大學(xué)合作，開(kāi)發(fā)出這款3D集成光子芯片。團(tuán)隊(duì)在0.3 mm2的芯片面積上集成了80個(gè)光子發(fā)射器與接收器，其3D集成通道數(shù)量較此前提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)。芯片帶寬達(dá)到800 Gb/s，帶寬密度達(dá)到5.3 Tb/s/mm2，單比特能耗僅120飛焦，能效極為出色。

在設(shè)計(jì)芯片時(shí)，團(tuán)隊(duì)采用了低成本方案，將光子器件和CMOS電子電路深度融合，元器件來(lái)自商業(yè)化工廠(chǎng)。值得注意的是，架構(gòu)兼容商用12英寸（300mm）晶圓CMOS工藝，具備大規(guī)模生產(chǎn)潛力。研究還重新定義了計(jì)算節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸方式，打破了數(shù)據(jù)本地化限制。

光作為通信介質(zhì)，能以極低能耗傳輸海量數(shù)據(jù)，這是傳統(tǒng)計(jì)算模式所不具備的，一旦光子芯片成功商用，將打破計(jì)算能力極限，到時(shí)計(jì)算性能得到空前提升，并成為未來(lái)各種應(yīng)用場(chǎng)景中計(jì)算系統(tǒng)的基石，包括大型AI模型、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理等。除了人工智能外，高性能計(jì)算、電信、分離式內(nèi)存系統(tǒng)也需要類(lèi)似技術(shù)。

最大挑戰(zhàn)在哪里

許多研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在研究光子半導(dǎo)體技術(shù)。例如，Celestial AI試圖為AI計(jì)算和內(nèi)存基礎(chǔ)設(shè)施提供先進(jìn)的光互連技術(shù)；ANT為本機(jī)處理單元 (NPU) 提供 PCI Express 卡，能效比CMOS高出30倍。還有CogniFiber、Neurophos、Salience Labs也在研究相關(guān)技術(shù)。

在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)研制出國(guó)際首個(gè)全模擬光電智能計(jì)算芯片（簡(jiǎn)稱(chēng)ACCEL），經(jīng)實(shí)測(cè)，該芯片在智能視覺(jué)目標(biāo)識(shí)別任務(wù)方面的算力可達(dá)目前高性能商用芯片的3000余倍。去年9月，湖北九峰山實(shí)驗(yàn)室成功點(diǎn)亮集成到硅基芯片內(nèi)部的激光光源，在硅光子集成領(lǐng)域取得里程碑式突破。

雖然國(guó)內(nèi)外科學(xué)家在光子芯片方面不斷取得突破，但新技術(shù)仍面臨極大挑戰(zhàn)。

克倫·伯格曼（Keren Bergman）認(rèn)為，第一大挑戰(zhàn)在于設(shè)計(jì)。光學(xué)技術(shù)的確可以大幅提高帶寬，但是要將光子芯片與計(jì)算機(jī)的計(jì)算、存儲(chǔ)、及其他組件封裝、集成，難度不小。

伯格曼稱(chēng)：“光子芯片是由硅制成的，所以它看起來(lái)就像一塊電子芯片。我們應(yīng)該如何對(duì)其進(jìn)行共封裝，使之能與電子部件相連接呢？強(qiáng)化集成可以做到，而且有多種實(shí)現(xiàn)方法，比如3D集成、單片集成（整體集成，將光子學(xué)元件和電子元件集成在同一芯片內(nèi)）?！?/p>

第二大挑戰(zhàn)就是共封裝帶來(lái)的發(fā)熱問(wèn)題。光子技術(shù)對(duì)溫度極為敏感，溫度一旦變化，光子芯片的折射率會(huì)改變，所以必須要讓光芯片適應(yīng)溫度變化。

伯格曼稱(chēng)：“我們用多種方法解決這一問(wèn)題。一種方法是建立閉環(huán)電路，維持光子器件的正常運(yùn)行，即使溫度變化也不受影響；第二種方法是盡可能優(yōu)化光子器件，讓它對(duì)溫度不那么敏感?！?/p>

當(dāng)然，無(wú)論什么技術(shù)產(chǎn)品，最終還是要落實(shí)到成本上。目前光子元件的成本仍然高于電子元件，因?yàn)榘雽?dǎo)體產(chǎn)業(yè)的成熟度遠(yuǎn)高于光子學(xué)產(chǎn)業(yè)，這一問(wèn)題需要依靠生態(tài)系統(tǒng)的完善來(lái)解決。（小刀）

生成海報(bào)

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來(lái)自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準(zhǔn)確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準(zhǔn)確性及可靠性，讀者在使用前請(qǐng)進(jìn)一步核實(shí)，并對(duì)任何自主決定的行為負(fù)責(zé)。本網(wǎng)站對(duì)有關(guān)資料所引致的錯(cuò)誤、不確或遺漏，概不負(fù)任何法律責(zé)任。任何單位或個(gè)人認(rèn)為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁(yè)或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識(shí)產(chǎn)權(quán)或存在不實(shí)內(nèi)容時(shí)，應(yīng)及時(shí)向本網(wǎng)站提出書(shū)面權(quán)利通知或不實(shí)情況說(shuō)明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細(xì)侵權(quán)或不實(shí)情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會(huì)依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實(shí)，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開(kāi)相關(guān)鏈接。