一直以來，數(shù)據(jù)傳輸時(shí)能耗過高的問題困擾著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,、超大型AI模型及其他技術(shù)帶來深遠(yuǎn)影響。

業(yè)內(nèi)專家認(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)的極速遷移問題。

伯格曼教授稱：“如果使用我們開發(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，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,，元器件來自商業(yè)化工廠。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ACCEL），經(jīng)實(shí)測(cè),，該芯片在智能視覺目標(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：“光子芯片是由硅制成的,，所以它看起來就像一塊電子芯片,。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)就是共封裝帶來的發(fā)熱問題,。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：“我們用多種方法解決這一問題,。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),，這一問題需要依靠生態(tài)系統(tǒng)的完善來解決。