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计算速度是电子芯片1000倍,光子AI芯片商用产品今年面世!

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电子发烧友
李弯弯
2021-01-05
[ 导读 ] 随着AI芯片面临算力瓶颈,用光子代替电子进行AI计算开始问世,目前已经有多家初创公司正在研究光子AI芯片,包括曦智科技、光子算数、Lightmatter、Luminous等。与电子芯片相比,光子芯片的计算速度是其的1000倍,而且功耗仅为其百分之一。当前用光学做计算还处于比较早期的阶段,各家基本还是停留在研究和产品测试阶段。不过可以看到,各家公司正在积极推进商用,Lightmatter公司就表示今…

  随着AI芯片面临算力瓶颈,用光子代替电子进行AI计算开始问世,目前已经有多家初创公司正在研究光子AI芯片,包括曦智科技、光子算数、Lightmatter、Luminous等。

  与电子芯片相比,光子芯片的计算速度是其的1000倍,而且功耗仅为其百分之一。当前用光学做计算还处于比较早期的阶段,各家基本还是停留在研究和产品测试阶段。

  不过可以看到,各家公司正在积极推进商用,Lightmatter公司就表示今年将会推出搭载光子AI芯片的商用产品,光子计算无疑将成为AI芯片领域的另一个赛道。

  看几个例子,详细理解什么是光子AI芯片

  光子AI芯片公司Lightelligence在2019年宣布开发出世界第一款光子芯片原型板卡(Prototype),在视频演示中,该团队在这个原型产品上成功用光子芯片运行了Google Tensorflow 自带的卷积神经网络模型来处理 MNIST 数据集。

  据介绍,这是一个使用计算机视觉识别手写数字的基准机器学习模型,也是机器学习中最著名的基准数据集之一。在测试中,整个模型超过 95% 的运算是在光子芯片上完成的处理。

  测试结构显示,光子芯片处理的准确率已经接近电子芯片,在97%以上,另外光子芯片完成矩阵乘法所用的时间是最先进的电子芯片的 1/100 以内。

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图片来自Lightelligence

  脱胎于麻省理工学院的初创公司Lightmatter在今年8月份的Hot Chips 32大会上,也展示了用于通用AI加速的光子计算测试芯片。

  这款处理器芯片利用硅光子和MEMS技术,以光速处理矩阵向量乘法,由毫瓦级激光光源供电,该公司表示,将于今年秋季推出其首款商用产品,专为数据中心AI推理工作负载而设计的搭载光子计算芯片的PCIe卡。

  Lightmatter首席执行官尼克·哈里斯表示:“我们可以利用现有AI数据中心,将能耗降低为原来的1/20,将物理空间减少为原来的1/5。”他认为,即使是在实际应用中,该款演示的光子计算芯片将击败AI加速领域的市场领导者——英伟达A100 GPU。

  光子算数也是国内国内少有的光子AI芯片赛道玩家,该公司与高校一起打造了面向服务器的光电混合AI加速计算卡,目前已完成一些定制化加速任务,包括机器学习推理、时间序列分析等特定任务。

  目前光子算数已将一些光电混合AI加速计算服务器提供给机房和IDC试用与测试,接口是标准的PCIe口。此外,其服务器也与一些国产操作系统和CPU厂商做了适配。

  光子AI芯片的优势特别明显,计算速度快,功耗低,空间占用少

  当前,越来越多的行业用到人工智能,而人工智能的算力瓶颈也越来越严重,根据OpenAI的研究显示,训练最大的人工智能模型所需的计算能力每三个半月就会增长一倍。

  电子芯片存在耗电量大、处理速度慢等特点,业界一直在探索更强大的人工智能芯片,于是用光子替代电子进行AI计算的想法出现了。

  致力于开发光学芯片加速AI的初创公司Luminous的CEO兼联合创始人MarcusGomez认为,光可以使用激光通过芯片上被称为波导的微小结构来发射光,通过使用不同颜色的光同时利用波导移动多个数据块,可以超越传统电子芯片的数据承载能力。

  快速传输大量信息的能力说明,光学处理器非常适合处理驱动人工智能模型的大量计算,同时,它们的耗能比电子芯片少得多。Luminous的另一位联合创始人兼首席技术官MitchellNahmias此前表示,公司的原型机可以比其他最先进的人工智能芯片节能3个数量级。

  有中科院专家此前表示,光芯片正在逐步取代传统的电芯片,成为通信芯片、人工智能芯片的主流,原因在于,大量电子在高密度集成电路里运动时,会使器件发热,还会产生电磁损耗,这就影响了芯片的速度、功耗等性能。

  与电相比,光的运动既快速又轻盈,运动时不产生热量,而且多路光线能在同一个时空里运动并保持各自的独立性,从而大幅节省信号传输通道。

  事实上,光芯片在通信领域的应用已经比较成熟,而光芯片替代电芯片进行AI计算却是近几年才开始的,曦智科技创始人沈亦晨此前谈到,这是因为过去神经网络计算并不流行,而传统的逻辑计算并不是光子计算最擅长之处。

  光子芯片还有一个极其大的发展优势,它可以沿用目前成熟的半导体工艺技术,而目前仍处于实验阶段的光子芯片仅需要老旧的微米级工艺,就可达到大幅超越既有半导体芯片的计算能力,也因此未来工艺微缩空间极大,这非常有利于光子AI芯片的规模化商用。

  各路资本积极进入光子AI芯片赛道,百度、谷歌、比尔.盖茨等

  百度先后投资了沈亦晨创办的Lightelligence公司和曦智科技。2018年Lightelligence获得1000万美元种子轮融资,由百度风投和美国半导体高管财团领投。

  2020年4月,曦智科技宣布完成2600万美元A轮融资,由经纬中国和中金资本旗下中金硅谷基金领投,祥峰投资、中科创星、招商局创投等跟投,百度风投和峰瑞资本持续加码。

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曦智科技研发的光子人工智能芯片

  该公司CEO沈亦晨表示,公司今年开发的与光子芯片配套的新型算法,展现了光子计算软硬结合的更多应用场景可能性,吸引了国内外多家知名IT企业前来接洽。

  比尔.盖茨投资了Luminous公司,2019年9月,报道显示,Luminous从包括比尔.盖茨和Uber首席执行官DaraKhosrowshahi在内的知名投资者那里,筹集了900万美元的种子资金。

  Google Ventures投资了Lightmatter公司,这家公司2017年在马萨诸塞州波士顿市成立,从Google Ventures等投资方处融资3300万美元,拥有30项专利。

  小结

  用光子芯片代替电子芯片进行AI计算这个想法提出到现在还只有几年时间,整体来说,这是一个相当新的技术方向,其中必然还有很多问题需要解决。

  事实上经过这几件的努力,光子AI芯片的可行性已经得到市场验证,沈亦晨此前就谈到,我们后续的研究重点是,未来如何使产品快速落地量产,助推人工智能产业发展。

  从整个光子芯片自身的独特优势,企业的积极研究,及资本的资金加持下,光子芯片或许会是AI芯片领域值得可期的新方向。


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