如果您希望可以時(shí)常見面，歡迎標(biāo)星收藏哦~

利用基于光子學(xué)的技術(shù)進(jìn)行“光速計(jì)算”有明顯的吸引力——不僅僅是極高的速度，盡管這當(dāng)然很重要，而且與基于晶體管邏輯的計(jì)算實(shí)現(xiàn)相比，其功耗也極低。

過去幾年，我接觸過幾家提供各種光學(xué)計(jì)算解決方案的公司。但到目前為止，這些解決方案主要涉及將不同頻率和相位的多束光注入光纖，并利用干涉進(jìn)行復(fù)雜的計(jì)算，如果用硅片進(jìn)行這些計(jì)算，則需要大量晶體管。

好吧，我剛剛接觸到光學(xué)計(jì)算領(lǐng)域的一些新鮮事物。我和Michael F?rtsch 博士聊天，他是一家名為Q.ANT的德國初創(chuàng)公司的首席執(zhí)行官。當(dāng)然，當(dāng)我說“初創(chuàng)公司”時(shí)，我們需要記住 Q.ANT 成立于 2018 年，到撰寫本文時(shí)已經(jīng)過去了六年。我不知道你是怎么想的，但從技術(shù)角度來看，六年前對我來說似乎是一生之久。

簡單介紹一下背景故事，邁克爾最初從事的是計(jì)算網(wǎng)站的工作，但后來覺得無聊，于是他開始學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)和物理，最后獲得了馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)的博士學(xué)位。隨后，邁克爾在美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所工作了幾年，還做了一些其他工作，最后他決定重返工業(yè)界，創(chuàng)辦了 Q.ANT。

在繼續(xù)之前，值得注意的是，我們希望執(zhí)行的計(jì)算量現(xiàn)在每三個(gè)月左右就會(huì)翻一番。這在多個(gè)層面上都是可怕的。

這里的一個(gè)問題是我們執(zhí)行計(jì)算所消耗的能量。目前，大多數(shù)計(jì)算都是使用基于 CMOS 技術(shù)的硅芯片進(jìn)行的。較小的晶體管比較大的晶體管消耗的功率更少。我們正在轉(zhuǎn)向越來越小的工藝節(jié)點(diǎn)，其中晶體管的尺寸以納米為單位，所以這很好 - 對嗎？

問題是，我們希望執(zhí)行的計(jì)算量呈指數(shù)級增長，這意味著我們需要在單個(gè)芯片上安裝數(shù)百億個(gè)晶體管。數(shù)百億個(gè)晶體管會(huì)消耗大量能源，而當(dāng)一臺(tái)服務(wù)器中有多個(gè)這樣的芯片、一個(gè)機(jī)架中有多個(gè)服務(wù)器、一個(gè)數(shù)據(jù)中心中有數(shù)萬個(gè)機(jī)架時(shí)，能源消耗就會(huì)加劇。

歸根結(jié)底，我們目前的計(jì)算解決方案 遠(yuǎn)沒有達(dá)到我們所希望的速度，并且 (b) 消耗太多電力。例如，邁克爾指出，他最近參加了一次超級計(jì)算機(jī)會(huì)議和展覽。他說每個(gè)機(jī)架都需要水冷。他還指出，在不久的將來，新的超標(biāo)量數(shù)據(jù)中心將開始需要自己的專用發(fā)電站——可能是小型模塊化反應(yīng)堆 (SMR) 的形式。

Q.ANT 是一家有趣的公司。它擁有來自 21 個(gè)國家的 100 多名專家，擁有約 890 年的行業(yè)經(jīng)驗(yàn)，平均年齡約為 36 歲。該公司的使命是開發(fā)光子計(jì)算解決方案，以應(yīng)對當(dāng)今人工智能 時(shí)代的兩大挑戰(zhàn):1)管理人工智能推理和其他數(shù)據(jù)密集型應(yīng)用所需的大量數(shù)據(jù)(包括復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算)。2)顯著減少當(dāng)今全球人工智能數(shù)據(jù)中心所消耗的大量電力和能源。

現(xiàn)在，我們可以深入研究 Q.ANT 的技術(shù)，但我擔(dān)心深入研究可能會(huì)掩蓋更大的故事，所以讓我們將事情保持在相對較高的水平。讓我們從下面的圖像開始，這是基于光子學(xué)的本機(jī)處理單元 ，它建立在公司的光賦能本機(jī)算法 (LENA) 架構(gòu)上。

Q.ANT 的光子芯片是 LENA 的核心

與其他產(chǎn)品相比，這款光子芯片的第一個(gè)區(qū)別在于，它采用薄膜鈮酸鋰 制造而成。觀察左側(cè)的低損耗波導(dǎo)，它將引入光信號；觀察右側(cè)的低損耗耦合器，它將輸出光信號。

中間的金色圓圈是電控光調(diào)制器。我們可以這樣理解，每個(gè)圓圈都是一個(gè)電容器的極板。通過向該極板施加電壓，我們可以調(diào)制通過調(diào)制器的光信號。多個(gè)調(diào)制器可以相互結(jié)合使用，以實(shí)現(xiàn)越來越復(fù)雜的計(jì)算。

這款 Q.ANT NPU 使用光而不是電子來執(zhí)行復(fù)雜的非線性數(shù)學(xué)運(yùn)算，有望實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng) CMOS 技術(shù)至少高 30 倍的能源效率和顯著的計(jì)算速度提升。 想想看，傅里葉變換在傳統(tǒng)計(jì)算中通常需要數(shù)百萬個(gè)晶體管，而現(xiàn)在只需一個(gè)光學(xué)元件就能完成。這很令人興奮，不是嗎？

基于這一底層技術(shù)，Q.ANT 宣布推出其首款商業(yè)產(chǎn)品——基于光子學(xué)的 NPU，它配備了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 PCI-Express接口，與當(dāng)今現(xiàn)有的計(jì)算生態(tài)系統(tǒng)完全兼容。

PCIe 卡上的 Q.ANT NPU

LENA 與標(biāo)準(zhǔn) GPU

假設(shè)我們試圖訓(xùn)練 AI 識別文森特·梵高的《星夜》。我們使用基于 LENA 的 NPU 而不是在傳統(tǒng)圖形處理單元 上實(shí)現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) (ANN) 進(jìn)行訓(xùn)練

上行顯示一個(gè)訓(xùn)練周期 后的結(jié)果。下行顯示 150 個(gè)周期后的結(jié)果。很容易看出 Q.ANT 解決方案有多先進(jìn)。同樣值得注意的是，LENA 僅需要 0.1 百萬個(gè)參數(shù)，僅執(zhí)行 0.2 百萬次操作，而 GPU 則需要 5.1 百萬個(gè)參數(shù)和 10 百萬次操作。

現(xiàn)在我已經(jīng)引起了你們的注意，我會(huì)首先告訴你們目前的情況，然后告訴你們我認(rèn)為未來事情可能會(huì)如何發(fā)展。

目前的情況是，上圖第一張圖中所示的 TFLN NPU 安裝在一塊原始的硅基板上——基本上就是一塊沒有任何晶體管的硅片。目前，這塊基板的主要作用是為調(diào)制器提供電容器的另一側(cè)(我將其視為可以偏置或至少接地的“大容量電容器板”)。此外，如今，光信號通過常規(guī)光纖傳入和傳出該設(shè)備。

那么未來會(huì)怎樣呢？首先，我可以設(shè)想將鈮酸鋰層直接安裝在功能齊全的硅芯片上。在這種情況下，我們可以在芯片頂部使用金屬化圈作為各個(gè)調(diào)制器電容器的表面，并且可以在 NPU 頂面上涂一層導(dǎo)體作為“大容量電容器板”。

其次，與使用光纖將光信號“水平”地傳送到鈮酸鋰層的邊緣不同，我們可以使用硅芯片中制造的激光二極管將光信號垂直向上傳輸?shù)?NPU 的低損耗光波導(dǎo)中。同樣，與使用光纖訪問從鈮酸鋰層的邊緣“水平”傳出的光信號不同，我們可以使用硅芯片中制造的光電二極管從 NPU 的低損耗光耦合器垂直接收這些光信號。

想象一下，將當(dāng)今任何高端 CPU、GPU、FPGA 或 SoC與上述光學(xué) NPU 相結(jié)合。所有東西都將放在同一個(gè)封裝中(不比今天的封裝大)，在外界看來就像普通芯片一樣。我應(yīng)該指出，所有這些都只是我的猜測；這不是邁克爾說 Q.ANT 正在做的事情，但如果我在 Q.ANT 有話要說，我會(huì)調(diào)查這件事。

非線性網(wǎng)絡(luò)的潛在應(yīng)用可以通過 Q.ANT 技術(shù)得到增強(qiáng)，從而提供更高的性能，同時(shí)消耗更少的電量，這些應(yīng)用多種多樣。下面列出了一些示例。

非線性網(wǎng)絡(luò)的示例應(yīng)用

我認(rèn)為，對于任何參與 AI 和高性能計(jì)算 的人來說，這種光子處理在效率和性能方面都非常有趣。當(dāng)然，這不全是關(guān)于我的(應(yīng)該是，但事實(shí)并非如此)。那么，你對這一切有什么看法？

如有硅光流片需求，

歡迎掃碼，將有專人對接。

半導(dǎo)體精品公眾號推薦

專注半導(dǎo)體領(lǐng)域更多原創(chuàng)內(nèi)容

關(guān)注全球半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)動(dòng)向與趨勢

今天是《半導(dǎo)體行業(yè)觀察》為您分享的第3976期內(nèi)容，歡迎關(guān)注。

『半導(dǎo)體第一垂直媒體』

實(shí)時(shí) 專業(yè) 原創(chuàng) 深度

公眾號ID:icbank

喜歡我們的內(nèi)容就點(diǎn)“在看”分享給小伙伴哦

免責(zé)聲明：該文章系本站轉(zhuǎn)載，旨在為讀者提供更多信息資訊。所涉內(nèi)容不構(gòu)成投資、消費(fèi)建議，僅供讀者參考。