首页 光子核算范畴双雄呈现!一篇顶刊论文,两位MIT天才的故事

光子核算范畴双雄呈现!一篇顶刊论文,两位MIT天才的故事

刚刚曩昔的8月,由IEEE主办的第32届HotChips成功闭幕,光核算创业公司Lightmatter展现的AI推理专用光子芯片——Mars,作为压轴大戏,给观众留下了极为深入的形象。Lightmat…

刚刚曩昔的 8 月,由 IEEE 主办的第 32 届 Hot Chips 成功闭幕,光核算创业公司 Lightmatter 展现的 AI 推理专用光子芯片——Mars,作为压轴大戏,给观众留下了极为深入的形象。

Lightmatter 表明,在相同的芯片面积下,光子芯片的时延是电子芯片的千分之一,能耗是电子芯片的千分之一,作业频率是后者的十倍。

图 | Lightmatter 揭露资料

并且,Lightmatter 对媒体表明,将于下一年秋季推出商用产品。

明显,这次不是又一个 “狼来了” 的故事,光子芯片是真的来了。

那么,光子芯片是什么?光子芯片能做什么?是否能够用在咱们的笔记本电脑上?为了搞清楚这些问题,DeepTech 联系到与 Lightmatter 一同领跑这一范畴的曦智科技创始人兼 CEO 沈亦晨。

风趣的是,这两家公司均于 2017 年 9 月建立,并且它们的 CEO 都身世麻省理工学院,更为偶然的是,2017 年他们别离以一作、二作的身份,在尖端期刊 Nature Photonics 宣布了将光核算运用于人工智能范畴的要害论文。

许多一同点的背面,隐藏着怎样的故事?

光子芯片到底有多快?

有媒体称 “光子芯片较电子芯片快 1000 倍”,“我个人以为这个说法并不精确。” 沈亦晨说。

首要,抵达 1000 倍的约束条件很重要。咱们仅就光子的纯核算部分,从光现已转化成光信号起,到完结核算止,这个进程所花的时刻,说光子芯片较电子芯片快 1000 倍,倒不为过。

但咱们核算整个光子核算机体系所需求的时刻,那么就要加上光电转化、数模转化以及内存和数字电路所花费的时刻,必定是达不到 1000 倍的。

其次,在不同的运用、算法环境下,所得到的成果是不同的。未来跟着越来越多的光部件进入到电子核算机之中,光子核算机全体的速率会逾越电子核算机越来越多。

依据沈亦晨的判别,“在短期之内,光子核算机与电子核算机依据通用 Benchmark,在相同的节点之下,前者抢先后者5 到 10 倍是十分合理的数字。关于特定的问题,比方退火算法等,现有的硬件条件现已能够做到百倍速率的提高。1000 倍或许是光子核算机提高的上限,需求把光的存储之类问题悉数处理才或许抵达。”

但毫无疑问,光子芯片将在能耗、通量和延时,三个层面逾越以 Intel 为代表的传统电子芯片,沈亦晨笃定地说。

光子芯片怎么核算?

Lightmatter 光子芯片的根底核算单元被称作 MZI。

这是一种光干与仪,能够用来观测从独自光源发射的光束分裂成两道准直光束之后,通过不同途径与介质所发生的相对相移改动,MZI 为英文缩写。

图 | 马赫-曾德尔干与仪经常用于空气动力学、等离子物理学与传热学范畴,能够丈量气体的压强、密度和温度的改动。在本图里,想象剖析一支蜡烛的火焰。两种输出印象都能够被观测到,一个显示出白色火焰,另一个显示出黑色火焰

这个设想最早发生于 1891 年,一百多年后的今日,它现已变成了下图的姿态。

图 | MZI 实物图

Lightmatter 的芯片实际上由两个笔直堆叠的芯片组成。顶部是一个 50 平方毫米的 12nm 工艺 ASIC,用于存储内存并和谐操控位于下面的 150 平方毫米的 90nm 工艺光核算芯片,布线间隔不逾越 1 毫米。两个核芯均选用格芯代工,运用规范 CMOS 工艺制作。

图 | Lightmatter Mars 芯片结构图

本次演示的 Mars 光核算芯片的作业频率为 1 GHz,由 64x64 矩阵 64 个维度向量组成光矩阵乘法器,数据在不到 200 皮秒的时刻内传达到整个芯片,整个中心由 50 毫瓦的激光发射器驱动。

在一次核算进程中,DAC接纳数字输入信号,将其转化为模仿电压,并运用该电压来驱动激光器。

来自该激光器的光进入核算阵列,这儿的根底核算单元便是 MZI。进入 MZI 的相干光分为两部分,每半部分的相位调整不同。将具有不同相位的信号组合会导致相长或相消干与,然后有效地调理通过 MZI 的光的亮度,该调理可被视为乘法运算。

在波导管相遇的当地,信号被有效地加在一同。这是光 MAC的根底,终究核算阵列输出的光抵达光电二极管,完结相应的核算。

图 | Lightmatter Mars 光学核算进程

Lightmatter 的研制人员说道,这些元器材的损耗极低,静态功耗简直为零,且简直不会发生 “电子走漏” 现象。

两条 MZI 途径

曦智科技的根底核算单元,也运用 MZI,可是在 MZI 的结构及 MZI 阵列的架构上,都选用了与 Lightmatter 不同的方法。

MZI 的核算原理能够浅显地解释为,它有两条“手臂”,通过某种方法改动了两条手臂的光程,以此来改动光通过两条手臂之后彼此干与的成果。

图 | MZI 矩阵乘法原理图

Lightmatter 选用的是名为 NOEMS的计划,这是一种机械式元件,原理是通过施加电压,让两条手臂在静电的作用下发生机械形变,以此改动手臂的物理长度。

曦智运用的是电驱动式的 MZI,具体做法是通过在两条手臂之中参加电子,在改动了电子密度的一同,也改动了光的介电常数,以此来改动光程。

而电子的移动速度,是远远快于两条手臂的物理形变速度的,所以曦智的调制频率能够抵达几十个 GHz,而 Lightmatter 只能到 100MHz,前者高出两个数量级。

“当然,曦智的方法也并非完美,但咱们在咱们以为重要的部分做了取舍。”沈亦晨说。

“我不对 Lightmatter 的计划进行好坏的点评,但我个人以为他们的计划是一个十分斗胆的测验。当看到他们在网上揭露的技能架构之后,咱们的榜首反应是对工艺和封装的改动太大了,这条路或许会比较崎岖”。他弥补道。

依据 Lightmatter 曝光给外界的 PPT 来看,他们的光子芯片架构是将一切的 MZI 衔接到了一同,有点像三国赤壁之战中曹操的铁索连舟。

图 | Lightmatter 的光子芯片架构

“这样的结构之下,一旦单个 MZI 节点出现问题,或许整个体系都会遭到影响。而咱们的架构中,因为完成光核算的原理不同,所以并不需求将一切的 MZI 直接相连,因而具有更强的容错性。”

“我能够了解 Lightmatter 为什么挑选这样一种计划,因为以他们光核算的原理、架构来说,机械式很或许是一个最优的挑选。但这样的计划接下来要面对的便是工业老练度,以及关于环境的敏感性等这些在产品和工程上的应战。”

曦智的时刻表

上一年 2 月,曦智现已做出了榜首款产品雏形,DeepTech 此前也有报导《用光应战 “国际 7 大数学难题” 之首,麻省理工团队再证光学核算潜力》。

图 | 曦智科技光子芯片原型版卡

“通过一年多的研制改进,咱们手上现已有了较之前抢先得多的芯片。”沈亦晨自傲地说。

在运用环境方面,曦智的光子芯片并不会比电子核算机有更严厉的要求,在芯片内关闭的环境中,很少有外界手法能影响到光的运转,这方面反而电子更简单遭到外界的影响而发生串扰。

和电信号比较,光信号根本不受电磁搅扰。所以,在信号传达间隔逾越 1 到 2 毫米的情况下,坚持电信号信噪比所需的能耗会很快逾越光电转化带来的额定能耗。

一些来自外界的轰动,也根本不会对曦智的光子芯片发生影响,因为他们选用的是 全固态结构,没有任何的机械活动部分。“反而 Lightmatter 的机械式 MZI 或许会受此影响,当然这是我的个人估测。”沈亦晨如此说。

曦智的芯片包含了数万个根底光子器材,光电信号转化的功率大概是 0.1~1 pj/bit,激光发射器选用同光通讯相同的设备,在这方面的相关技能现已十分老练。

当 DeepTech 问及光子芯片的发布时刻,沈亦晨表明,现在曦智现已能够作出十分清晰的时刻组织,可是暂时仍是期望坚持必定的神秘感。他弥补道,这将是一个很近的时刻节点,必定会在一年之内。

据悉,未来曦智光子芯片将以板卡及服务器的方法推出,一同也会以授权的方法向电子芯片规划厂商供给光子芯片的 IP,以此来提高现有产品的功能。“咱们的供货商全都是国际一流的大厂,并且供应链也现已打通。”

图 | 曦智科技原型光子芯片作用图

沈亦晨弥补道,曦智的光子芯片前期将倾向用于AI 推理芯片,后续会研制AI 练习芯片,一同也会在几个非典型 AI 的运用场景,如药物研制、资料研制、量子模仿方向、超算方向等范畴推出对应的产品。

“咱们的产品适用于各种公有、私有云服务及终端服务器。此外,可用于超算及矿机的光子芯片产品也现已处于准备傍边,但这些绝不是曦智的榜首款产品。”沈亦晨着重。

光子芯片因为其根本的运作原理,十分适合于做矩阵乘法,尤其是稠密的、高并发式的核算。而这恰恰是人工智能神经网络所需求的。

除此之外,光子芯片在片上传输方面的优势也很大,如:传统核算机内存到核算单元的数据转移,以及核算单元之间的转移。

沈亦晨说,使用这一点,一方面能够据此推出自有的光子芯片,另一方面传统核算机也能够运用光核算技能对芯片进行改造。其作用就像是把古人的驿站,替换成现在的高铁。

“咱们的技能能够协助 Intel、NVIDIA 等巨子晋级它的芯片,而非单纯地替代。严厉来讲,曦智的初代光子芯片归于光电混合芯片,也能够了解为协处理芯片,并没有彻底将传统的集成电路扔掉。”

“两强”争霸

现在,在光子芯片这个赛道,曦智科技与 Lightmatter,现已成为了现实的领跑者,谁先行发布量产的光子芯片,谁就能够赢得先发优势。而在公司的背面,也相同是沈亦晨与 Lightmatter 创始人兼 CEO 尼古拉斯 · 哈里斯之间的竞赛。

这两位相同天才的年青博士,因同一篇论文而开端了相同的工作。

图 | 沈亦晨与 Harris 协作的论文

图 | 该论文登上了当期的 Nature 子刊封面

图 | 沈亦晨与 Harris 在麻省理工学院的创业大赛中取得 10 万美元奖金,他们一左一右一同举起了标志奖金的广告板

沈亦晨对这段往事并不想多谈,他仅仅说:“一同写作一篇 Paper 很简单,长不过一两年,可是一同创业或许是三五年、十年乃至是一辈子的工作,咱们仅仅各自寻找了适宜自己的团队、协作伙伴和投资人。”

想到未来,沈亦晨的目光微光闪烁。

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