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从电到光,中国芯片产业向光而行 | 甲子光年

2022-09-27

来源:甲子光年官网

作者 | 小贤

编辑 | 栗子


传统电芯片在摩尔定律失效后逐渐逼近性能极限,越来越多的从业者将目光转向了光。


对比电子芯片,光芯片的特点在于高速率和低功耗。在通信领域,光纤通信在数据传输中撑起了5G的覆盖,而计算、储存领域也给光芯片留出了巨大的舞台。


光芯片远超电芯片的性能潜力,让其成为了一条硬科技发展的确定赛道。近几年,英特尔、英伟达、格芯等海外芯片厂商纷纷出手并购光芯片项目,在新赛道抓紧布局发力。而在国内,华为等厂商也投资了超过十余家光芯片公司,覆盖产业链上下游。


从技术竞争的角度来看,光芯片被认为是与国外研究进展差距最小的芯片技术,被寄予了中国“换道超车”的希望。


北京大学信息科学技术学院教授,北京大学深圳系统芯片设计重点实验室主任何进对「甲子光年」表示,从电芯片到光芯片是芯片产业发展的重心。中国依托庞大的应用终端,未来可能在光芯片应用上和国外并驾齐驱。


从电到光,中国芯片产业正在向光而行。




1.后摩尔时代的曙光



晶体管密度以每18到20个月翻一倍的速度发展,推动电芯片的性能大约每两年翻一倍,同时价格下降为之前的一半。在过去的50年里,芯片的算力一直遵循着摩尔定律持续增长。


但如今,计算芯片已经开始从5纳米向3纳米制程发展,而原子的直径约为0.3纳米,在3纳米的制程之后,物理、技术和成本的极限将无限趋近。


虽然算力的增长随着极限趋近而放缓。但随着数字化与智能化的持续普及,人类社会对算力的需求却依旧在急剧膨胀。


据美国人工智能研究公司OpenAI统计,自2012年,人工智能的算力需求以平均每3到4个月翻一倍的速度增长。如今,最大的神经网络模型已是10年前的15到30万倍。


电芯片算力触碰到天花板是多种原因造成的。比如当芯片尺寸小于5nm时,可能会带来“量子隧穿效应”。而且,即使晶体管做的更小,单个晶体管运算时的功耗也难以降低,产生的热量无法有效散出。这种物理特性直接决定了单位面积电芯片上能做的计算密度,难以再有提高的空间。


除了把晶体管做得更小外,扩大电芯片面积也是以往业界提升算力的方法。但这一做法也会面临功耗比的问题。芯片面积增大,意味着需要更长的导线,而芯片电能消耗和走线长度成正比,导线功耗过高,无疑是整个系统里绕不开的瓶颈。最终结果是,把芯片做大,功耗也会随着面积的增大而显著增加。


电芯片尺寸即将缩小到极限,同时扩大面积亦无法高效提高算力。电芯片在向更高算力寻求突破时的两条路都已难走通。


此时,光芯片被赋予了突破算力的厚望。


其实几十年来,科学家们一直致力于找到一种将光用于信息传递处理的方法。这种对光的探索,甚至比电芯片来得更早。


1960 年,美国科学家西奥多 · 梅曼发明了世界上第一个可见光输出激光器,使光学发展出现了重大突破。这意味着人类对光的认识、掌握和利用进入全新阶段。


在同一时期,华裔科学家高琨提出用玻璃纤维代替铜导线、用光代替电流的方法。这一突破性技术在落地应用后,便发展成了如今长距离通信中的光纤通信。


回顾光芯片发展历程,早在1969年美国的贝尔实验室就已经提出了集成光学的概念。但因技术和商用化原因,直到21世纪初,以Intel和IBM为代表的企业与学界才开始密集合作,重点发展硅芯片光学信号传输技术。


光通信发展至今,光在数据传输上已经充分证明优势。目前所有的长距离通信,包括数据中心里服务器和服务器之间的数据都是通过光纤代替铜导线进行的。


而近几年,人们开始将注意力从光的数据“传输”转移到了“处理”。相对微电子芯片用电信号作为信息载体,光芯片则用频率更高的光波作为信息载体。


相比于集成电路,光芯片在技术上避免了发热问题,传输损耗更低、带宽更高、时延更少、以及抗电磁干扰能力更强。这些都是光芯片的巨大优势。


“今天,我们已经在光纤传输中发现了光子用于信息载体的伟大能力。如果未来芯片系统内部都用光子来传输和处理信息,这是多么激动人心的时刻。目前看来,光就是最好、最快的介质。”北京大学信息科学技术学院教授,北京大学深圳系统芯片设计重点实验室主任何进说。


目前,硅光技术在传输领域已经获得广泛应用,在大型数据中心和电信领域承载信息传输的任务。在以激光雷达为代表的光传感领域也在逐步走向成熟。而以硅光芯片为基础的光计算将有望在未来5-10年,逐步出现在部分计算场景里。


在中国芯片产业被卡脖子的背景下,发力光芯片有了另一层“换道超车”的意义。


电芯片的开发是一个厚积薄发的过程,意味着技术落后难以在短时间内“补作业”。何进表示:“中国电芯片技术和国外存在4-5代的差距,但光芯片在全球范围内还处在研发阶段,尚未大规模应用,并未形成代际差异。因此,依托中国自身庞大的应用终端和独一无二的统一大市场,我们将来有可能在光芯片的产业应用上,和国外实现同步。”




2.一颗光计算芯片的诞生



尽管光芯片的发展被寄予厚望,但过去很长时间里,光计算却是一个长期被困在实验室、高校的技术。2017年,麻省理工学院物理学博士沈亦晨以一篇关于AI计算光芯片重磅论文打开了突破口。


当时,沈亦晨以第一作者身份在《自然–光子》期刊以封面论文的位置发表了集成光子计算的重要学术成果,其概念是把传统电子信号转成光信号,让光信号通过光子芯片,并且控制这些光之间的干涉。当这些光相互干涉、以及这些数字发生计算时,整个计算时间就是光线通过芯片的时间:0.1 -0.5 纳秒。而同样大的矩阵乘法,在电芯片上的运算时间要长百倍左右。


这篇论文成为光子计算芯片发展的一大节点,在学界和业界都掀起了巨大反响,投资人、创业者纷纷登门。这也成为了沈亦晨走出实验室,创立公司的一大推动力。同年,沈亦晨创办了光子AI芯片公司曦智科技。而该论文第二作者Nicholas Harris在同一个技术领域创办了Lightmatter。


回忆起当时的场景,沈亦晨表示:“曦智科技算是其中最早起步的公司之一。创立时,连AI芯片都是一个新概念,更不用说光子AI芯片了。所以业界也常常把我们和量子计算这种前沿科技归为一类。”


随着英特尔、英伟达等业界巨头在光子计算芯片领域的成果逐渐发布,贯穿科研到产业、光子AI芯片开始迈出从被质疑到广泛认可的过程。创业者、市场的信心愈发明显。5年时间里,全球范围内光子AI芯片公司从零星的一两家,增加到目前的20多家。


据介绍,曦智科技成立至今,公司总融资额超过2.2亿美元。以十余名MIT博士为核心,全球团队超过200人,办公室、实验室分布波士顿、上海、杭州、南京等地。


同期成立的Lightmatter在美国也颇受关注,公开资料显示,其成立后先后获得了经纬美国、GV(原Google Capital)、惠普、洛克希德·马丁、美国国防部的投资,融资总额约1.1亿美元。


“光子芯片无疑是行业里最热的方向之一。”沈亦晨说。


2021年底,曦智科技推出了基于光子芯片打造的计算处理器PACE,也是全球第一个可以展现出光子优势的计算系统。据了解,PACE的结构由光芯片和电芯片两部分组成。电芯片主要进行数据的存储、数模混合的调度,而光芯片则进行数据的计算。最后,光和电芯片会通过3D封装技术倒装的堆叠组成。


PACE光子芯片中集成了超过1万个光子器件,芯片运行速度 1GHz,与目前市场上能买到单个算力最高的英伟达的GPU3080相比,跑一个特定的循环神经网络算法,PACE所需要的时间少于GPU所需时间的1%。


沈亦晨表示,这种对比并不是为了在通用性上证明PACE可以跑所有的神经网络,且速度提升百倍。但PACE的表现说明了光计算优势的上限和它的潜力。


此外,光芯片的优势不仅体现在技术本身,在性能的提升方面,光芯片对先进制程工艺依赖性也更小。


沈亦晨表示,硅光芯片不需要对制程有特别高的要求,比如65或者45纳米的COMS工艺线就可以满足现在光芯片、光计算所有的要求。光芯片性能的提升更多是从其他方面进行技术迭代,包括主频、波长数量还有不同的模式。


严格来说,PACE所代表的是电子芯片深度结合的光电混合的运算,而非纯光计算。“在可预见的未来时间里,都会是与电子芯片深度结合的光电混合运算。”沈亦晨表示。


如此一来,PACE在与外部的交互上可以通过电芯片来完成,将所有指令集编译器和SDK都承载在电芯片上,在软件方面兼容现有芯片的生态。而光芯片部分则承接主要任务的处理器工作,包括线性计算和数据网络。


沈亦晨表示,曦智即将推出更通用化的计算产品,若将光的互联和光的计算一起加上去,对第一代产品来说,只要能表现出3-5倍的算力优势,就足够在广阔应用里找到巨大的市场空间。




3.硅光时代,中国机遇



光子集成电路虽然目前仍处于初级发展阶段,但毋庸置疑,这种发展趋势已成必然。2021年12月,阿里巴巴达摩院发布2022十大科技趋势,光电芯片也位列其中。


但需要指出的是,光芯片的出现,并非为了完全颠覆与代替电芯片。事实上,光子芯片需要与成熟的电子芯片技术融合,运用电子芯片先进的制造工艺及模块化技术,结合光子和电子优势的硅光技术将是未来的主流形态。


当下,硅光发展尚不成熟的原因是多方面的。芯片的商用化依赖极长的产业链,从设计、制造到后期的送样和商用,时间周期以数年计。目前硅光集成的工艺尚未成熟,带来芯片良率低、成本优势不明显,以及无自动化设计、设计与工艺脱节等问题,需要产业链上下游共同参与,形成更完善的硅光生态。


“商业化本身是一个持续且漫长的过程,就像第一个智能手机的普及就花了10年时间,光电混合的计算芯片能在未来一两年内送到客户手上。但大规模商用、通用性计算产品还需要时间。”沈亦晨表示。


总体来看,当下硅光芯片产业链在成熟度上还远不如电芯片,在芯片巨头资源倾注下,产业链正在快速成长中。以光通信为主,包括光计算、光传感路线的激光雷达快速发展,都在驱动着硅光供应链越来越成熟。


“尤其是最近两三年,国际上许多大型晶圆厂,EDA设计公司,封测厂都开始正式布局硅光方向。”沈亦晨表示。曦智科技也正与一线晶圆厂、封装厂建立战略合作,推动硅光生态的发展。


中科创星创始合伙人米磊告诉「甲子光年」,“在2013年基金刚成立时,光电芯片在中国属于极冷门的赛道,放眼望去,只有科研院所和少数海归芯片人才从事相关研究工作,也鲜有投资机构问津。”


巧合的是,那一年中国芯片进口规模首次超过了石油。在捕捉到这一现象后,米磊就判断将来中国的芯片产业极有可能被“卡脖子”。于是光学背景出身的米磊就开始在中国寻找光电芯片项目。


为打造光子产业生态,2015年,中科创星发起了首个光电芯片产业孵化平台——陕西光电子先导院,并投入数亿元人民币,购置专业设备,建设洁净厂房,招募专业化人才,提供完备的配套服务,帮助早期芯片企业流片。


次年,中科创星又成立了10亿元规模的早期基金,专门投向光电子领域。就在这一年,市场环境走向转折,风靡了近60年的集成电路遭遇了发展瓶颈,巨头英特尔宣布不再按照“摩尔定律”推出芯片。米磊提出“米70”定律,呼吁大家关注集成光路。


他认为,未来光学成本在产品总成本中的占比至少会达到70%。到时候,光学器件、机械器件、电子器件都有可能会逐步芯片化,甚至有可能集成到一个芯片里面。


如今,在中科创星投资孵化的370多家硬科技企业里面,光+半导体项目就超过了150家,推动中科创星形成了以“光电芯片”为核心的投资布局。


在近期举办的EmTech China 全球新兴科技峰会上,米磊在分享中表示,过去六十年的科技革命是集成电路和光通信推动的信息化革命,未来便会是以光子、人工智能、新能源和生命科学为代表的新一轮科技革命。


随着近年来一个个细分技术领域的成熟、实现落地应用,光电产业的发展不断提速。


2017年,iPhone X搭载3D摄像头,藏在刘海屏后面的人脸识别技术在手机领域被广泛接受,作为3D传感技术核心组件的VCSEL激光芯片迎来井喷式增长。在自动驾驶领域,激光雷达作为感知环节的重要一环,以Quanergy为代表的激光雷达公司在自动驾驶热潮中迅速成为独角兽,也为光芯片带来更多关注度。


华西证券在一份硅光产业报告中表示,2019年,全球硅光市场规模为4.8亿美元,预计到2025年将成长至39亿美元,复合增长40%。


“总的来说,电芯片时代是用原创技术去找市场,光芯片则是市场爆发需求,反过来研发原创技术来满足需求,从这个角度来说,智能时代,我们有新的业态,新的需求,中国比全世界任何国家都有更多的人愿意拥抱新技术。”何进说。


他认为,在信息基础设施建设和新的IT技术建设层面,中国有更大的市场需求和更多拥抱新技术生态的热情,应用生态比国外更好,因此中国光芯片产业有可能利用应用生态优势在光芯片领域形成一定的优势。


“未来,中国最大的机遇一定是在光子时代。”米磊在采访中表示,光是人工智能时代的基础设施,无论是5G的网络,还是获取数据的传感器,总之在通信、工业、消费等大部分领域都需要光芯片来支撑。


“今日光电芯片的发展阶段,相当于微电子芯片在上世纪六七十年代的阶段,广阔的市场空间还在等着我们。”米磊说。

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