根據(jù)摩爾定律，集成電路上可以容納的晶體管數(shù)目在大約每經(jīng)過18個(gè)月便會(huì)增加一倍。但當(dāng)集成電路領(lǐng)域進(jìn)入后摩爾時(shí)代，人們?cè)谧非髽O致的物理工藝的同時(shí)，也在探索其他提升算力的方式。2021年12月15日，光子計(jì)算芯片公司曦智科技發(fā)布了其最新高性能光子計(jì)算處理器——PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計(jì)算引擎），——單個(gè)光子芯片中集成超過10,000個(gè)光子器件，運(yùn)行1GHz系統(tǒng)時(shí)鐘，運(yùn)行特定循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)速度可達(dá)目前高端GPU的數(shù)百倍，PACE成功驗(yàn)證了光子計(jì)算的優(yōu)越性。

光子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)

　　電子芯片發(fā)展目前面臨著三個(gè)主要瓶頸：算力、數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)。算力瓶頸主要來源于兩方面，第一個(gè)方面是大眾所了解的摩爾定律，第二個(gè)算力限制主要是功耗和發(fā)熱問題。

　　第一個(gè)部分就是通過光來做矩陣的乘積累加運(yùn)算，我們叫oMAC。oMAC是一種模擬計(jì)算，通過光模擬信號(hào)代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)可以加載在光的強(qiáng)度或者相位上面，通過在波導(dǎo)里的傳播相互干涉，同時(shí)進(jìn)行運(yùn)算。

　　而且光在傳播的時(shí)候自身并不會(huì)發(fā)熱，承載的硅光芯片工藝制程要求也比較低，比如65或者45納米的CMOS工藝線就可以滿足現(xiàn)在光芯片、光計(jì)算所有的要求。綜合各種特性使得光計(jì)算完成一個(gè)矩陣運(yùn)算所要花的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于電芯片。

　　第二部分技術(shù)叫oNOC，片上的光網(wǎng)絡(luò)，主要是通過用波導(dǎo)代替銅導(dǎo)線的方式，在片上進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，包括實(shí)現(xiàn)片與片之間的光通信。這樣的優(yōu)勢(shì)在于帶寬更好，能耗更低，傳輸延時(shí)遠(yuǎn)小于銅導(dǎo)線，這就減少了距離帶來的很多問題。片上光網(wǎng)絡(luò)的通用性強(qiáng)，因?yàn)樗梢耘c不同類型的電子芯片結(jié)合，能夠?yàn)橄裨L問存儲(chǔ)芯片或者在不同的計(jì)算芯片之間提供一個(gè)更高速、更低功耗互聯(lián)的方式。

　　由此可以看出，光電混合計(jì)算系統(tǒng)將光學(xué)計(jì)算的帶寬和速度與電子計(jì)算的靈活性相結(jié)合，并且可以在模擬和數(shù)字光學(xué)/光電/電子系統(tǒng)中利用通用的節(jié)能技術(shù)基礎(chǔ)。

PACE光子計(jì)算處理器

　　PACE的結(jié)構(gòu)由光芯片和電芯片這兩部分組成。電芯片上主要做數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和數(shù)?；旌系恼{(diào)度；光芯片上主要做數(shù)據(jù)計(jì)算。最后，光芯片和電芯片會(huì)做3D封裝技術(shù)倒裝的堆疊。相比于曦智科技在2019年推出光子芯片原型板卡，PACE在光子器件的集成度上比之前提高近了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，即從100個(gè)光子器件提高到10000個(gè)光子器件。從運(yùn)行系統(tǒng)時(shí)鐘上來看，PACE提高了四個(gè)數(shù)量級(jí)，目前基本達(dá)到電子芯片的時(shí)鐘——一個(gè)GHz系統(tǒng)時(shí)鐘。曦智科技表示，未來可以將向上提高1到2個(gè)數(shù)量級(jí)時(shí)鐘。

　　總體來說，此次單個(gè)芯片計(jì)算能力超過2019年芯片的100萬倍，與目前市場(chǎng)上的單個(gè)算力最高的英偉達(dá)GPU3080相比，兩者同時(shí)跑一個(gè)循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，PACE的耗時(shí)只有GPU3080的1%以內(nèi)。

PACE的商業(yè)化應(yīng)用

　　PACE能夠幫助解決NP-Complete Problem，從數(shù)學(xué)角度，這可能是現(xiàn)在全球最難以解決或者難以高效解決的數(shù)學(xué)問題，它的中文翻譯叫多項(xiàng)式復(fù)雜程度非確定性問題。PACE還能夠解決涉及比如生物信息里蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)的預(yù)測(cè)、物流交通調(diào)度、芯片設(shè)計(jì)、材料研發(fā)，這些常見的問題。如果PACE能夠有效解決其中一個(gè)問題，其解決方法也可以被映射到其他問題上去。所以，PACE目前還是有比較多的商業(yè)應(yīng)用前景。

　　曦智科技創(chuàng)始人兼CEO沈亦晨博士表示：“PACE是曦智科技繼2019年發(fā)布全球首款光子芯片原型板卡后，推出的最新光子計(jì)算處理器。它對(duì)全球半導(dǎo)體行業(yè)和算力技術(shù)研發(fā)的重要里程碑意義在于，首次驗(yàn)證了光子計(jì)算的優(yōu)越性，也是首次展示了光子計(jì)算在人工智能和深度學(xué)習(xí)之外的應(yīng)用案例。”