將數億晶體管集成到指甲蓋大小的芯片上，不斷提高其集成密度，是近幾十年提高芯片計算能力的主要途徑，也是引領行業半個多世紀的摩爾定律的核心內容。然而，由于人工智能、大數據、物聯網等行業的快速發展，數字經濟浪潮席卷其中。作為核心生產力的計算能力需求激增，逐漸與芯片本身的物理極限發生沖突。曾被視為金科玉律的摩爾定律正面臨失敗的困境。
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光可能會成為解決這個問題的突破嗎？光子具有高通量、低延遲、低能耗的優點，不易受到溫度、電磁場和噪聲變化的影響。此前，光子技術經常應用于長途通信領域，光纖通信已成為各種通信網絡的主要傳輸方式。然而，光在人類社會進步中的作用可能比我們想象的要大得多。
西智科技率先關注光學領域，提出了開創性的光電混合計算新范式概念，試圖為集成電路行業提供一種不同于當前傳統芯片計算范式的新的解決方案。最近，西智科技CTO孟懷宇博士DeepTech以計算需求爆發下的光電混合計算新范式為主題，科技創新周先進計算論壇詳細介紹了這一概念。
新革命從光計算開始
光計算是指利用光的物理特性完成線性計算。孟懷宇博士以生活中常見的光計算眼鏡為例，指出了光計算的三個優點。
首先是低延遲。眼鏡后的觀察者覺得眼鏡前圖像變化所需的時間等于以光速穿越這段距離所需的時間——幾乎最少；其次，能耗低。眼鏡本身不消耗能量，所有能量都消耗在光信號的產生和吸收上；最后，當光信號發生高速變化時，眼鏡后接收的信息也會發生高速變化，即眼鏡的二維傅里葉變換正在進行高速大通量計算。
雖然眼鏡不能編程，但其原理給光計算的實現帶來了靈感。西智科技創始人兼創始人兼CEO沈亦晨博士創造性地提出了利用集成光子技術實現深度學習的新計算架構，并于2017年創立了西智科技。2019年，西智科技發布了世界上第一張光子芯片原型板卡，成功驗證了用光子代替電子進行高性能計算的先鋒理念。在此基礎上，西智科技團隊于2021年發布了高性能光子計算處理器PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計算引擎)通過重復矩陣乘法，巧妙利用受控噪聲組成的緊密回環，實現低延遲，導致伊辛問題（Ising）高質量的解決方案。
孟懷宇博士說： PACE主要利用光計算的低延遲優勢。它可以在3納秒內EPCOS代理完成伊辛問題單次迭代計算，速度達到目前的高端GPU800倍以上。
PACE與目前高端GPU性能對比
光互聯，光電混合計算新范式的另一半
另一半關注的是解決數據互聯問題，即內存墻（memory wall）問題主要包括容量和帶寬。今天，隨著計算能力的爆發，相應硬件的增長速度遙不可及。以AI典型模型Transformer例如，在兩年內，硬件存儲容量只增加了兩倍，算法大小增加了240倍。因此，存儲墻的容量瓶頸，即如何容納更大的應用程序。
另一個挑戰是帶寬瓶頸。孟懷宇博士解釋說，如果將芯片想象為平面方塊，芯片的計算能力與方塊的面積成正比，芯片的外部帶寬與其邊長成正比。因此，當芯片上的晶體管密度越來越高時，如果芯片的邊長密度增加2倍，計算密度將增加4倍。因此，無論是摩爾定律向前發展，還是通過新的計算范式提高單位面積的計算能力，喂養計算能力所需的帶寬都將成為一個問題。在過去的20年里，硬件的計算能力增加了9萬倍，但是DRAM帶寬和網絡帶寬只增加了30倍。
西智科技給出的解決方案是數據互聯的新范式——光互聯。與電互聯的性能相比，它會隨著距離的增長而逐漸下降，而光互聯受到距離的影響要小得多。孟懷宇博士說:理想情況下，使用光互聯更有利于10mm以上的數據傳輸，可以給解決帶寬瓶頸和容量瓶頸帶來更大的可能性，這也是西智科技對光互聯新范式的基本邏輯。
對比光互聯和電互聯
目前，光互聯解決方案已應用于數據中心，但由于光模塊與使用光模塊的數字芯片之間的距離往往超過1米，光互聯受到電互聯的限制，導致光互聯的應用范圍僅限于框架、框架甚至服務器之間的光互聯。為了消除電互聯網的瓶頸，西智科技倡導的光互聯網新范式是將光電轉換與數字芯片高度集成，形成芯片發光孟懷宇博士以當前數據中心的資源池趨勢為例，他說：我將把這種廣泛的資源池理解為計算資源的‘共享經濟’。由于其互聯性差，一個服務器很難訪問另一個服務器的資源。光互聯可以幫助實現更好的互聯，使大規模的資源共享成為可能。最后，通過資源池化，每個計算芯片都可以訪問更大的內存和帶寬，從而解決內存墻問題。”
光互聯使數據中心的資源池成為可能
超大規模光電混合集成是實現上述一切的基礎技術。在這方面，西智科技也完成了相關技術驗證，成功地將集成硅光芯片和3個電子芯片D垂直堆疊的封裝形式使兩個芯片之間的距離最小化，實現了與現有芯片相比 Transceiver集成密度高1000倍以上。
最后，孟懷宇博士還介紹了西智科技光電混合晶圓級計算平臺的解決方案。如今，業內很多公司都推出了晶圓級計算平臺的概念Cerebras公司的WSE芯片。但它們的局限性也很明顯：首先，由于電力不適合長途通信，最近的鄰里數據只能傳輸；其次，它們將面臨更嚴重的內存墻問題。在這方面，光電混合晶圓級計算平臺解決方案實現了任何互聯拓撲、低延遲和低能耗。同時，為了打破內存墻
光電混合晶圓級計算平臺曦智科技
自2017年成立以來，西智科技一直致力于通過光計算和光互聯網組成的新型光電混合計算模式，繼續為客戶提供更具創造性和高效的計算支持。截至2022年3月，西智科技已融資14億元以上，引領全球光子計算軌道。其基于光互聯網的最新解決方案目前正在繼續開發，并將在不久的將來以產品的形式正式發布。
