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A temperatura da água na indústria de chips de computação óptica está mudando.

Autor｜Badu‍‍

Editor｜Wang Bo

"Os circuitos ópticos integrados serão uma 'mudança de faixa e ultrapassagem' que só acontece uma vez a cada 60 anos no campo dos semicondutores."

No final do ano passado, o último parágrafo do prefácio da "Era Fotônica: Livro Branco sobre o Desenvolvimento da Indústria Fotônica", lançado na Conferência Global de Inovação em Tecnologia Dura de 2023, continha esta frase.

Não há dúvidas sobre as vantagens dos chips de computação óptica em termos de poder de computação e transmissão de dados, e os resultados das pesquisas de equipes nacionais são frequentemente divulgados nos jornais. No entanto, quando se trata de uso comercial em larga escala, muitas pessoas ainda o fazem. dúvidas. Em 2023, um estudante de pós-graduação envolvido na pesquisa de dispositivos fotônicos micro-nano postou um post no Zhihu para discutir questões relacionadas a chips de computação óptica e disse sem rodeios: “Como não está disponível comercialmente, deve haver grandes problemas”.

Então, os chips de computação óptica saíram do papel?

A escala da matriz (densidade de potência computacional) e a discriminação óptica de nó único (precisão da potência computacional) são indicadores-chave para medir o desempenho dos chips de computação óptica. O tamanho da matriz reconhecido pela indústria que atende aos padrões comerciais é 128×128, e haverá dois. no mundo em 2021 A empresa concluiu a fita de chips de computação óptica 64×64. Nos três anos seguintes, esse gargalo não foi superado e algumas empresas até mudaram para outros caminhos.

Durante a Conferência Mundial de Inteligência Artificial (WAIC) de 2024, recentemente realizada, "Jiazi Guangnian" aprendeu que,A empresa doméstica de chips de computação óptica Optical Based Technology concluiu a fita do primeiro chip de computação óptica cuja densidade e precisão de potência de computação atingiram os padrões comerciais., o tamanho da matriz deste chip é 128 × 128 e o pico de potência de computação excede 1700TOPS.

O chip de computação óptica com tamanho de matriz de 128×128 desenvolvido pela Light-based Technology Fonte de imagem: Light-based Technology.

“Atualmente estamos comparando com o NVIDIA A100”, disse Cheng Tangsheng, cofundador da Light-based Technology, a Jiazi Guangnian. “O chip 128×128 será transformado em uma placa e seu poder de computação final será o mesmo que. Produtos de chip eletrônico da NVIDIA. Ao mesmo tempo, o consumo de energia de nossos produtos de primeira geração é de cerca de um décimo a um quinto deles. Além disso, o chip de computação óptico também será reduzido em ordens de magnitude.

A escala matricial 128×128 significa que os chips de computação óptica domésticos estão um passo mais perto da industrialização, em vez de apenas “ficar no papel” ou “viver apenas no laboratório”.

Xiong Yinjiang, fundador da Optical Standard Technology, disse que a empresa está depurando placas de computação óptica 128 × 128 e deverá lançar produtos comerciais de placas de computação óptica em 2025, capacitando as pessoas com maior índice de eficiência energética e maior poder de computação. hardware de computação, centros de computação inteligentes, inteligência incorporada e outras indústrias Ao mesmo tempo, a empresa está prestes a concluir a pesquisa e desenvolvimento de chips de computação óptica com escala de matriz maior.

“Acho que podemos estar em um ponto de inflexão”, disse um investidor especializado na indústria de chips a Jiaziguangnian. “Todos mudaram da atitude inicial de que os chips de computação óptica eram completamente inatingíveis para pensar que isso é possível”.

A temperatura da água na indústria de chips de computação óptica está mudando.

1. "Você acredita na luz?"

"Você acredita na luz?"

Essa palavra da moda na Internet também é um retrato verdadeiro da indústria de chips de computação óptica.

Nos últimos 50 anos, o poder da computação em chips continuou a crescer seguindo a Lei de Moore. No passado, a indústria estava mais acostumada a usar o poder de computação dos chips eletrônicos, mas agora o poder de computação dos chips eletrônicos enfrenta um gargalo de crescimento.

Por exemplo, o efeito de tunelamento quântico limita a redução adicional do tamanho do transistor; à medida que o desempenho aumenta, o consumo de energia e o acúmulo de calor impõem requisitos mais elevados à dissipação de calor do chip, à velocidade de transmissão interna do chip e aos gargalos de transmissão de dados, limitando os problemas de escalabilidade; o número de transistores na estrutura tecnológica existente está próximo do limite superior.

A oferta enfrenta estrangulamentos, enquanto a procura continua a aumentar. O fundador e CEO da Moore Thread, Zhang Jianzhong, disse sem rodeios na "Era da Criação de IA - 2024 Jiazi Gravity Mesmo com bilhões ou centenas de milhões de fundos, é difícil estabelecer um centro de computação. Juntamente com a escassez de recursos de computação, o problema enfrentado por muitas empresas, incluindo a OpenAI, é como resolver o problema causado pela falta de recursos computacionais. O problema de iteração.”

Como quebrar a situação? Os chips de computação óptica fornecem uma ideia nova.

Chip de computação óptica é uma forma de aplicação de chip fotônico, com foco na realização óptica de tarefas de computação.Possui características de velocidade ultra-alta, paralelismo ultra-forte, largura de banda ultra-alta e perda ultrabaixa.

Na verdade, durante décadas, os cientistas nunca pararam de explorar a luz. Na década de 1940, a transformada de Fourier foi introduzida na óptica e a óptica de Fourier foi desenvolvida. O período de 1980 a 2004 foi a era de ouro da computação óptica. Durante este período, pesquisadores científicos propuseram um grande número de tecnologias de computação óptica, incluindo reconhecimento de padrões ópticos, computação óptica lógica, redes neurais ópticas, interconexões ópticas e armazenamento holográfico óptico.

No entanto, devido aos requisitos de aplicação e cenários de aplicação pouco claros da computação óptica, e à falta de sistemas de hardware óptico correspondentes, o desenvolvimento da tecnologia de computação óptica tem sido relativamente lento.

Nos últimos anos, com a explosão da indústria de inteligência artificial, os chips de computação óptica também entraram num período de rápido desenvolvimento.

Em 2021, o valor global do total de produtos fotónicos e serviços relacionados atingirá mais de 7 biliões de dólares americanos, representando aproximadamente 11% da economia mundial global.

Agora, a computação óptica é uma indústria emergente com ampla cobertura profissional e requisitos teóricos e técnicos extremamente elevados.É considerada uma área potencial onde a China e os concorrentes internacionais estão na mesma linha de partida e podem até alcançar a transcendência tecnológica.

2.128×128: ​​​​Avanço duplo em potência de computação e consumo de energia

Apesar das grandes esperanças em chips de computação óptica, a computação óptica tem sido uma tecnologia presa em laboratório há muito tempo.

Em 2017, apareceu o primeiro artigo da Nature na área de computação óptica e, em seguida, várias empresas foram estabelecidas uma após a outra. No entanto, toda a cadeia da indústria não está suficientemente madura e não há muitos exemplos de referência, desde embalagens até cooperação em chips eletrônicos. Em 2022, ano em que a tecnologia de base óptica foi estabelecida, após cinco anos de desenvolvimento na indústria, a tecnologia e a cadeia industrial amadureceram gradualmente, mas os chips de computação óptica ainda não foram comercializados em grande escala como os chips elétricos tradicionais.

Xiong Yinjiang acredita que há duas razões principais para isso: primeiro, o design de chips de computação óptica no passado era imaturo e não podia ser diretamente comparado com as soluções elétricas líderes atuais; segundo, a cadeia industrial para implementá-lo em produtos era imatura; e optoeletrônica Em última análise, a integração ainda é uma tarefa de engenharia muito desafiadora.

“Os chips de computação óptica em muitas universidades nacionais são menores em tamanho, como 3×3 ou 4×4. Algumas empresas iniciantes só conseguem atingir 64×64 no máximo, o que significa que não têm capacidade de comercialização. e estágio de desenvolvimento”, disse Li Gang, chefe de projetos iniciais da Fengrui Capital, a Jiazi Guangnian.

Desta vez, o chip de computação óptica com um tamanho de matriz de 128×128 da Optical Based Technology foi removido com sucesso, o que significaOs chips de computação óptica domésticos atingiram um ponto crítico de comercialização.

Para alcançar a utilização comercial em grande escala, os chips de computação óptica precisam de resolver problemas como a computação não linear e a integração de armazenamento e cálculo. Tanto os institutos de investigação científica como a indústria acreditam que a construção de um ecossistema de integração optoelectrónica é o único caminho a seguir. Com base em materiais de mudança de fase PCM, a tecnologia baseada em óptica realizou computação em memória que integra armazenamento e cálculo. A unidade de armazenamento e a unidade de computação estão totalmente integradas. e estabeleceu relacionamentos profundos com as principais empresas nacionais de embalagens. Cooperação estratégica para desenvolver em conjunto capacidades avançadas de embalagens optoeletrônicas.

“A escala de matriz 128×128 é comparável às arquiteturas usadas pela TPU do Google ou Ascend da Huawei. Para nós, a computação óptica já é equivalente à computação eletrônica em termos de densidade de potência de computação e escala de matriz. foi possível, mas fizemos isso pela primeira vez.”, disse Xiong Yinjiang.

Protótipo integrado de computação e armazenamento de fótons da tecnologia baseada em luz, fonte de imagem: Tecnologia baseada em luz

O tamanho da matriz do chip de computação óptica corresponde ao poder de computação.

Por exemplo, ao aumentar o tamanho da matriz de 64×64 para 128×128, o poder de computação aumenta pelo menos quatro vezes, mas o aumento no consumo de energia é linear.

Especificamente, na escala de matriz 64×64, o chip é equipado com 64 conversores analógico-digital (ADCs) e 64 conversores digital-analógico (DACs). Quando o tamanho da matriz atinge 128×128, embora o poder de computação aumente quatro vezes, o número de ADCs e DACs necessários apenas aumenta para o dobro do original, o que significa que a eficiência do poder de computação é pelo menos duplicada.

Ao mesmo tempo, a precisão deste chip de computação óptica também alcançou um avanço, atingindo a precisão padrão do raciocínio da IA.

Mais importante ainda, cada unidade na matriz 128×128 é ajustável, o que torna o chip uma plataforma completamente universal que pode lidar com qualquer tipo de tarefa de computação de IA. contraste com outros chips de computação óptica que lidam com aplicativos únicos.

Tais avanços tecnológicos não acontecem da noite para o dia;Em vez deA cristalização de dez anos de acumulação de tecnologia.

Desde 2014, o Laboratório Oxford é pioneiro na pesquisa e desenvolvimento de materiais de mudança de fase e luz de silício. Em 2017, desenvolveu com sucesso o primeiro chip integrado de armazenamento e computação de fótons do mundo. Durante seus estudos de doutorado na Universidade de Oxford, Cheng Tangsheng estudou com a primeira pessoa do mundo em "cálculo óptico de materiais de mudança de fase" - Harish Bhaskaran, professor do Departamento de Materiais da Universidade de Oxford e acadêmico da Royal Academy of Engineering He. também liderou e participou do cálculo óptico de materiais de mudança de fase na Universidade de Oxford. Pesquisa e desenvolvimento de chips e novos materiais de mudança nanofásica de potência ultrabaixa.

Cheng Tangsheng disse ao "Jiazi Light Years" que desde que era estudante de doutorado em Oxford, ele vem resolvendo problemas na aplicação prática da tecnologia de computação óptica há muitos anos, estudando como reduzir o consumo de energia e expandir a escala, a fim de atender aos requisitos de poder de computação de aplicações, como o desenvolvimento de necessidades de inteligência artificial.

A equipe fundadora da Light-based Technology continua a fazer avanços no campo da computação óptica. Começar um negócio em 2022 é ainda mais “preparado”.

“Desde o início da criação da empresa, percebemos que a matriz de chips de computação óptica existente no mercado é pequena, o que limita sua densidade de poder computacional e escala de poder computacional. claro que o tamanho da matriz deve primeiro ser aumentado de 64×64 para 128×128 e depois expandido para 256×256 e 512×512”, disse Cheng Tangsheng ao “Jiazi Guangnian”.

No ano passado, a tecnologia baseada em óptica usou a geração anterior de chips de computação óptica para completar a operação completa da arquitetura da placa, incluindo empacotamento, integração com chips elétricos e execução de redes gerais de IA, como ResNet-50.

Este ano, a tecnologia baseada em luz otimizou ainda mais o chip. Por um lado, aumentou o tamanho da matriz para 128×128 para aumentar a densidade e a escala do poder de computação, por outro lado, otimizou e simulou cada dispositivo óptico independente e carregou; uma fita direcionada para alcançar uma otimização abrangente de todo o sistema.

"Basicamente realizamos uma fita adesiva a cada três ou seis meses. Acredito que somente fabricando produtos de forma rápida e contínua, a empresa poderá ser verdadeiramente estável", disse Xiong Yinjiang.

Desta vez, o chip de computação óptica 128×128 é derivado das três iterações anteriores do produto.

Então, onde estão os cenários comerciais para esses produtos de chips de computação óptica?

3. Quem precisa de chips de computação óptica?

Para a camada de aplicação, os chips de computação óptica fornecerão maior poder de computação e menor consumo de energia.

Maior poder de computação significa que chips de computação óptica podem processar modelos mais complexos, e modelos mais complexos podem levar a melhores aplicações, o que significa tanto o custo de treinamento do modelo quanto o uso real do modelo pelos usuários. reduzido em grande medida. Assim que os chips de computação óptica forem comercializados, será o início da era pós-Moore e formará um ciclo virtuoso.

Cada mudança nas aplicações tecnológicas decorre de avanços no poder da computação. É justamente com a melhoria do poder computacional que pode ocorrer o momento disruptivo da inteligência artificial.

Portanto, o cenário principal para chips de computação óptica é a inteligência artificial. "Com o rápido desenvolvimento da inteligência artificial, as aplicações e necessidades deste cenário tornaram-se muito claras. Os chips de computação óptica podem se adaptar e otimizar rapidamente para as atuais aplicações relacionadas aos modelos de grande escala", disse Li Gang.

No campo de modelos grandes, a computação óptica ajudará os clientes downstream a reduzir custos e melhorar a eficiência. Pode reduzir os custos de inferência futuros para um milésimo ou décimo milésimo dos atuais, tornando quase gratuito para os usuários o acesso a grandes modelos, aumentando significativamente a margem de lucro bruto de grandes empresas modelo.

A redução dos custos de energia computacional é muito importante para a implementação de aplicações de grandes modelos. Caso contrário, as empresas terão que sofrer com despesas gerais todos os dias, reduzindo assim a escala do modelo e a qualidade do treinamento.

Um fundador de uma start-up de inteligência artificial disse a "Jiazi Guangnian" que custos mais baixos de energia de computação ajudarão no desenvolvimento de produtos de aplicação "Acho que agora todos deveriam compreender gradualmente mais claramente que quanto mais tokens forem consumidos, melhor. Não se trata. tentando fazer um aplicativo para salvar tokens.”

ao mesmo tempo,O aumento significativo no poder de computação dos chips de computação óptica também pode fornecer um poder poderoso para os atuais cenários de tecnologia popular, como inteligência artificial, análise de big data e direção autônoma.

Xiong Yinjiang introduziu que no campo da direção autônoma, o atual poder de computação do nível L3 é de 200-500TOPS e, para atingir o nível L5, espera-se que seja necessário mais de 2.000TOPS de poder de computação. Se for baseado na tecnologia existente, o consumo de energia será superior a 2 kW, o que representa um desafio para a resistência dos novos veículos de condução inteligente em termos energéticos.

Portanto, é necessário encontrar uma solução com baixo consumo de energia e alto poder computacional, e os chips de computação óptica podem atender exatamente a essa demanda.

Para a atual inteligência incorporada, os chips de computação óptica podem realizar um grande número de cálculos no lado final sem consumir muita energia, permitindo que os robôs mantenham um "alto QI" enquanto executam um grande número de operações mecânicas.

Se a inteligência incorporada atingir as capacidades e capacidades cognitivas da inteligência artificial geral (AGI), o poder computacional necessário excederá em muito os níveis atuais. O alto potencial de poder computacional dos chips de computação óptica permitirá que a inteligência incorporada pense de forma independente e pode até ter capacidades de raciocínio e julgamento que superam os seres humanos. Este será o potencial máximo da tecnologia de computação óptica.

É inegável que os chips de computação óptica, com suas características de altíssima velocidade e alta eficiência energética, darão definitivamente origem a um novo paradigma de algoritmo no futuro, promovendo assim o progresso e a inovação em todo o campo da ciência da computação.

4. O caminho para a industrialização com “um prego na mão esquerda e um martelo na mão direita”

Com a saída de chips de computação óptica em escala de matriz 128×128, os próximos dois anos serão um período crítico para a engenharia de chips de computação óptica.Em outras palavras, os chips de computação óptica devem realmente começar a aceitar o teste de cenários “reais e complexos”.

"2025 será um ano inovador para a tecnologia de base óptica. Nessa altura, os chips de computação óptica entrarão no primeiro ano de comercialização. A tecnologia de base óptica terá contacto e adaptação em larga escala com empresas a jusante e estabelecerá parcerias comerciais. Em 2026 , espera-se que os chips de computação óptica sejam realizados em remessas em grande escala", previu Xiong Yinjiang.

Ele disse ao "Jiazi Light Year" que o desenvolvimento da tecnologia baseada em luz segue uma estratégia em forma de T, verticalmente, aprofundando-se no ciclo do produto, desde chips até placas, até a adaptação downstream e remessas finais. Os chips eletrônicos também serão gravados no segundo semestre deste ano. A equipe realizará testes de embalagens e concluirá embalagens optoeletrônicas 2,5D e 3D. A placa de computação fotônica será eventualmente formada e entregue aos clientes para adaptação, enquanto constrói um ecossistema de software. .

Horizontalmente, a tecnologia baseada em óptica ampliará as barreiras de pesquisa e desenvolvimento no campo da computação óptica, conduzirá pesquisa e desenvolvimento em uma escala de matriz maior, incluindo, mas não se limitando à pesquisa e desenvolvimento de chips de computação óptica em 256×256 e 512 escala de matriz × 512 e faz uso de tecnologias avançadas, como tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda.

“Esta estratégia em forma de T é profunda e garante que o produto não seja um castelo no ar e possa penetrar profundamente no nível do usuário; ao mesmo tempo, também garante que possamos sempre manter uma posição de liderança em pesquisa e desenvolvimento." Xiong Yinjiang disse a "Jiazi Guangnian".

Esquema de operação do chip de computação óptica da tecnologia baseada em luz, fonte de imagem: Tecnologia baseada em luz

A tecnologia baseada na luz considera as capacidades de I&D como um “martelo” e a procura do mercado como um “prego”.Requer iteração contínua de tecnologia e feedback contínuo sobre as necessidades do usuário.

Para que os dois se encontrem no meio, tanto o mercado esquerdo como o mercado direito precisam de ser investidos.

No nível da pesquisa científica, a Light-based Technology e a Universidade Fudan estabeleceram um laboratório conjunto para o futuro hardware de computação para explorar todas as possibilidades da computação óptica na era da divergência tecnológica.

Em termos de implementação de engenharia, a equipe reuniu "veteranos da indústria" nas áreas de simulação, digital, hardware, arquitetura de sistema e algoritmos para garantir que o produto possa alcançar a implementação real de engenharia.

Ao mesmo tempo, a empresa estabeleceu relacionamentos com parceiros na cadeia da indústria nacional, incluindo cooperação estratégica com a United Microelectronics, uma empresa líder nacional em fotônica de silício, e pesquisa e desenvolvimento de ponta de embalagens optoeletrônicas 2,5D e 3D com embalagens nacionais de ponta. e testando fábricas.

Os avanços tecnológicos são apenas um trampolim. Em seguida, os chips de computação óptica e.Tecnologia baseada em luzDe um modo geral, o que temos de enfrentar é o desafio da ecologia industrial.

Atualmente, os clientes do mercado geralmente usam NVIDIA ou outras GPUs familiares. Para realizar a ampla aplicação de placas de computação óptica, ela precisa ser adaptada com os clientes. "A direção de nossos esforços é garantir que a placa de computação óptica seja totalmente compatível com o ecossistema existente em termos de hardware."

certamente,Os chips de computação óptica e os chips elétricos não são substitutos, mas reforçam-se mutuamente.

Nos estágios iniciais de desenvolvimento, os chips de computação óptica podem desempenhar o papel de núcleos de computação tensor, auxiliando os chips eletrônicos tradicionais. Dado o atual domínio dos chips eletrônicos no mercado, os chips de computação óptica assumirão primeiro um grande número de tarefas de computação linear em aplicações de inteligência artificial.

No entanto, à medida que as necessidades dos clientes enriquecem gradualmente, todo o ecossistema de software também enriquece e as capacidades de entrega de várias empresas de computação óptica também melhoram.

Cheng Tangsheng comparou o desenvolvimento atual de chips de computação óptica às "vésperas do advento do AlphaGo". Comparada com a inteligência artificial ou plataformas de chips eletrônicos, a computação óptica ainda está em um estágio relativamente inicial de desenvolvimento. Com a melhoria da eficiência e a melhoria do ecossistema, a computação óptica irá gradualmente desempenhar um papel maior, fornecendo forte suporte técnico para computação, armazenamento, transmissão e percepção na era inteligente.

Mi Lei, sócio fundador da Zhongke Chuangxing, propôs a "Lei Mi 70" em 2016. Ele acreditava que a tecnologia óptica será uma tecnologia básica muito crítica no futuro e seu custo será responsável por 70% do custo de toda a tecnologia futura. produtos. Mas é inegável que qualquer avanço tecnológico requer acumulação e investimento a longo prazo, bem como um período mais longo de transformação e implementação.

Os seres humanos têm beneficiado da luz desde o seu nascimento, e a luz também criará mais possibilidades para a inteligência artificial.

*Referências:

, Jiazi Suzhou

(Fonte da imagem da capa: "Jiazi Guangnian" gerada usando ferramentas de IA)

[Visualização da sala ao vivo Jiazi]

Nesta quinta-feira (18 de julho), às 14h, o fundador e CEO da Jiazi Guangnian, Zhang Yijia, fará uma transmissão ao vivo com o analista do think tank Jiazi Guangnian, Noor Maimati (Trigo), para analisar as oportunidades e desafios por trás da onda médica de IA. Durante a transmissão ao vivo, os últimos julgamentos sobre o tratamento médico de IA serão compartilhados de uma forma fácil de entender com "velocidade de 0,5x", com base nos resultados da pesquisa do Think Tank Jiazi Guangnian. Durante o processo, os dois palestrantes também responderão a perguntas. do público e comunique-se com todos, que está repleto de informações úteis, não perca!

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