光子芯片将为人工智能带来突破性发展

随着人工智能耗电量的不断增加,计算机的能源需求也将飙升。为了减少能耗和对环境的影响,光子芯片作为一种光计算芯片,功耗仅为同级电子芯片的六分之一,并逐渐开发和应用于人工智能、自动驾驶汽车、量子计算等领域。

2021年第九期《光子芯片-效率更高,能耗更低》报道了光子芯片的研发和应用进展,介绍了光子芯片与其他芯片相比的优势,即光子芯片没有电阻问题,因为激光产生的光子可以快速通过波导、调制器、反射器等原始阵列。因此,光子芯片产生的热量更少,能耗更低,计算速度更高。文章指出,光子芯片将为人工智能带来突破性发展,也有助于其他计算机领域降低能耗。

本文选自2021年中国工程院院刊《Enginering》第9期。

作者:Mitchleslie。

来源:Light-basedChipspromiseseseseryuseandineseasespeed[J].enginering,2021,7(9):1195-1196。

计算机长期以来一直是世界能耗巨头,随着越来越多的人工智能(人工智能)投入使用,计算机的能源需求也将飙升。在各方努力减少人工智能能耗和环境影响的过程中,马萨诸塞州波士顿的初创公司Lightmatter宣布,它已经开发出一种用光计算的芯片,功耗仅为同级电子芯片的六分之一(图1)。其他公司也在为人工智能、自动驾驶汽车、量子计算等应用程序开发类似的光子芯片。近几十年来,计算机能耗飙升。研究人员估计,数据中心目前消耗的能源占世界能源的1%。仅谷歌的一家公司每年就消耗超过12TW·h的能源,这比斯里兰卡的整个国家消耗的能源要多。自2009年以来,比特币和其他加密货币的采矿活动已经兴起,现在它消耗的能源越来越多。据估计,深度采矿每年都需要大量的能源。

光子芯片将为人工智能带来突破性发展插图

图1波士顿Lightmatter开发的Envise光子芯片将用于加快人工智能的深度学习。该公司表示,如果一组服务器使用该芯片,其功耗将大大降低,每秒的推理次数将是竞争对手开发的服务器的三倍多。来源:公共领域)

各公司还采取多种方式抑制能耗,减少计算机计算对气候的影响。例如,数据中心的能源效率得到了有效的提高。2010-2018年,数据中心的能耗仅增加6%,计算能力增加6倍。然而,光子而不是电子的光基集成电路在降低能耗方面表现更好。

由于光的性质,这些电路的能耗如此之低。当电子通过晶体管和其他传统的集成电路元件时,它们会遇到阻力并产生热量。随着设计师不断向芯片添加各种元件,芯片产生的热量自然会增加。电子特性甚至成为微芯片性能提升的障碍,也是计算机能耗如此之高的主要原因。例如,数据中心40%的能耗用于散热。相比之下,光子芯片没有电阻问题,因为激光产生的光子可以快速通过波导、调制器、反射器等原始阵列。因此,光子芯片产生的热量更少,能耗更低。光子芯片的计算速度也更高。在光基设备中,数据以光速移动,比普通电路快10倍。马萨诸塞州剑桥麻省理工学院电子工程学和计算机工程学副教授Dirkend也说:物理学使我们有了如此巨大的速度。

用光子代替电子在电路上的想法有着悠久的历史。20世纪60年代和70年代,研究人员开始开发光子芯片。当时,一些专家预计,光子芯片将像传统的集成芯片一样快速微型化。到1990年,新泽西茉莉山的贝尔实验室制造了一台光子计算机原型机。这个原型可以用光来计算。然而,光子芯片的发展从未赶上电子芯片。Englund说,其中一个原因是,尽管工程师可以缩小电子元件,将数十亿元件集成到芯片上,但他们不知道如何将光子元件缩小到这一点。三十年前,光子元件仍然很难足够紧凑。

此后,光子设备的制造方法也不断优化,使得光子元件越来越小。例如,微型马赫·曾德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterfermeter)是有希望制造的。马赫·曾德尔干涉仪是Lightmatter制造新芯片的关键组成部分,它可以分离光束,从而使设备执行矩阵乘法计算。然而,光子芯片上的组件数量仍远低于电子芯片。加利福尼亚大学圣塔巴巴拉分校电子与计算机工程与材料学教授Johnbowers表示,目前光子芯片组件数量仅为1000多个。然而,经过几十年的发展,光子集成电路集成了各种组件,包括可以通过光纤通信的收发器。现在,性能更强的光子芯片也将陆续商业化或进入研发阶段。研究人员正在开发x2021年的光子探测器。

光子芯片将为人工智能带来突破性的发展,不仅仅是因为它极高的运行速度和低能耗。Englund表示,光子芯片可以轻松计算矩阵向量乘法,支持深度学习。此外,传统集成电路无法胜任的线性代数计算对光子芯片来说也没关系。

几家公司正在为人工智能开发光子芯片,包括波士顿的Lightelligence。然而,Lightmatter的Envise芯片最接近商业化。该公司表示,该芯片比目前的顶级电子芯片快10倍,能耗仅为后者的15%。然而,没有第三方验证这些数据。Lightmater计划在刀片服务器中使用16个芯片,形成数据中心专用人工智能计算机,并于2021年下半年与消费者见面。当然,这种设备不仅使用光子芯片,还包括电子芯片。Bowers认为:Lightmater的产品是一个巨大的进步。

光子芯片还可以帮助其他计算机领域降低能耗。例如,一些专家认为,这些设备可以抑制加密货币采矿的能源需求。然而,这些光子芯片也有局限性。Englund表示,首先,光基内存的研发非常困难。传统的电子芯片只能用来为Envise提供内存。此外,光子芯片是模拟计算,其计算精度可能不如电子芯片。因此,Lightmatter销售的刀片服务器的主要卖点是加速器,以帮助受过训练的人工智能算法运行。

此外,人工智能研究人员表示,他们很高兴能够立即获得光子芯片进行测试。Englund说:我们可以立即看到比较结果和光基设备有多强大。

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