2022年科技趋势推荐之人工智能 ——图书馆前沿热点技术推荐（3）

2022-04-07

 

硅光芯片

光电融合兼具光子和电子优势，突破摩尔定律限制^[1]
近日阿里达摩院通过「定量发散」与「定性收敛」，分析了近三年来的770万篇公开论文、8.5万份专利，通过挖掘其中热点及重点技术突破，深度访谈近100位科学家，提出了2022年可能现实的十大科技趋势。本期推出第三趋势：硅光芯片

        电子芯片的发展逼近摩尔定律极限，难以满足高性能计算不断增长的数据吞吐需求。硅光芯片用光子代替电子进行信息传输，可承载更多信息和传输更远距离，具备高计算密度与低能耗的优势。随着云计算与人工智能的大爆发，硅光芯片迎来技术快速迭代与产业链高速发展。预计未来三年，硅光芯片将承载绝大部分大型数据中心内的高速信息传输。
电子芯片发展逼近摩尔定律极限，集成技术进步趋于饱和，高性能计算对数据吞吐要求不断增长，亟需技术突破。光子芯片不同于电子芯片，技术上另辟蹊径，用光子代替电子进行信息传输，可以承载更多的信息和传输更远的距离。光子彼此间的干扰少、提供相较于电子芯片高两个数量级的计算密度与低两个数量级的能耗。相较于量子芯片，光子芯片不需要改变二进制的架构，能够延续当前的计算机体系。光子芯片需要与成熟的电子芯片技术融合，运用电子芯片先进的制造工艺及模块化技术，结合光子和电子优势的硅光技术将是未来的主流形态。
        硅光芯片概念诞生于40年前，在本世纪初，核心技术的突破奠定大规模商用的基础。硅光芯片近期技术的快速迭代及高速增长的商业化需求，归因于云计算与人工智能的大爆发，由于光子传输速率与计算密度的优势，硅光芯片被用于光通信和光计算的场景中。在通信场景，由于大型分布式计算、大数据分析、云原生应用让数据中心内的数据通信密度大幅提升，数据移动成为性能瓶颈。传统光模块成本过高，难以大规模应用，硅光芯片能够在低成本的前提下有效提高数据中心内集群之间、服务器之间、乃至于芯片之间的通信效率。在计算场景，据OpenAI统计，自2012年，每3.4个月人工智能的算力需求就翻倍，摩尔定律带来的算力增长已无法完全满足需求，硅光芯片更高计算密度与更低能耗的特性是极致算力的场景下的解决方案。硅光的挑战来自产业链和工艺水平。硅光芯片的设计、量产、封装等环节尚未标准化和规模化，进而导致其在产能、成本、良率上的优势还未显现。光计算的精度低于电子芯片，限制了应用场景，集成度也需要提高来提升算力。近期产业需求的爆发，推动了硅光芯片产业链的发展，在光子元器件、硅光制程上都有重大突破，给硅光芯片商业化奠定了基础。值得关注的是，光通信与光计算是相辅相成的，光通信中的光电转换技术会在光计算中得到应用，光计算中要求的低损耗、高密度的光子集成技术也会进一步促进光通信的发展，将来数据计算和传输都可能在光域完成。光电融合是未来芯片的发展趋势，硅光子和硅电子芯片取长补短，充分发挥二者优势，促使算力的持续提升。未来三年，硅光芯片将支撑大型数据中心的高速信息传输；未来五到十年，以硅光芯片为基础的光计算将逐步取代电子芯片的部分计算场景。
 附：阿里巴巴达摩院公布量子计算重大进展：自研新型fluxonium量子芯片两比特门操控精度达到99.72%，达全球最高水平。^[2]

        操控精度是衡量量子芯片性能的核心指标。达摩院选择的fluxonium是一种新型超导量子比特，在理论上，与传统transmon相比，fluxonium可以具备更高操控精度，长期为学界瞩目。fluxonium和transmon的比特构造不同：fluxonium是用环形电路的磁通量作为量子比特，以其中的环形电流顺时针和逆时针方向的反对称和对称叠加态分别代表量子比特的1、0状态；transmon是用是否激发电路中的电磁震荡作为量子比特的1、0状态的表达。
        目前，达摩院量子实验室成功设计制造出两比特fluxonium量子芯片，实现了单比特操控精度99.97%，两比特iSWAP门操控精度最高达99.72%，在此类比特达全球最佳水平，是fluxonium优势从理论到实践的重要一步。
 
注释：
1.达摩院：2022十大技术趋势.[EB/OL].[2022-01-10].
https://damo.alibaba.com/techtrends/2022
2. [Online].https://t.ynet.cn/baijia/32493517.html

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