英國牛津大學(xué)在 2017 年發(fā)表了用于計算的光子芯片的研發(fā)成果，其研究人員使用了特殊的相變材料與集成光路，模擬人腦的神經(jīng)突觸作用，設(shè)計“光子突觸”，其理論運行速度是人腦的千倍。

實際上，麻省理工學(xué)院的研究團隊與合作研究者也有類似的發(fā)現(xiàn)，他們在更早的 2016 年提出了使用光子代替電子為理論基礎(chǔ)的計算芯片架構(gòu)，由于光和透鏡的交互作用過程本身就是一種復(fù)雜的計算：傅立葉變換——利用這個原理，并使用多光束干涉技術(shù)，就可讓相關(guān)系尋反應(yīng)所需要的計算結(jié)果。而這種芯片架構(gòu)就被該研究團隊稱為可程序設(shè)計納米光子處理器。

2017 年 6 月，麻省理工學(xué)院研究團隊針對可程序設(shè)計納米光子處理器提出了一份論文，并且發(fā)表在《自然-光子》雜志上。該論文的第一作者及通訊作者，出生在杭州的沈亦晨目前為 Lightelligence 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼 CEO，并且是《麻省理工科技評論》所評選出來的 2017年 35 名 35 歲以下中國科技創(chuàng)新青年之一。

光子計算在處理一些 AI 算法時有獨特的優(yōu)勢:

2017 年《麻省理工科技評論》中國區(qū)“35 歲以下科技創(chuàng)新 35 人”入選者、Lightelligence 的聯(lián)合創(chuàng)始人兼 CEO沈亦晨

Lightelligence 目前在沈亦晨的帶領(lǐng)之下，全力研發(fā)光學(xué)芯片的相關(guān)技術(shù)，包含芯片設(shè)計、核心算法、傳輸、周邊等，欲打造一個完整的光學(xué)計算生態(tài)。由于 Lightelligence 研發(fā)的技術(shù)將可能徹底改變計算的生態(tài)，因此獲得高度關(guān)注，其中包括將云端計算視為核心發(fā)展項目的百度，以及多位美國半導(dǎo)體行業(yè)高管，都因為看好光子芯片的未來性，而成為Lightelligence的早期投資人。

沈亦晨對 DT 君表示，由于其在麻省理工學(xué)院博士班的科研項目就是以納米光子為主，剛好在 2015 年時，AI 應(yīng)用快速起飛。眾所周知，除了數(shù)據(jù)以外，硬件對 AI 的應(yīng)用也是非常重要，所以開始有了把光子應(yīng)用在計算環(huán)境中的構(gòu)想。

但為何 2015 年之前沒有人想過要把光子效應(yīng)用來進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算呢？沈亦晨表示，這是因為過去神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算并不流行，而傳統(tǒng)的邏輯計算并不是光子計算最擅長之處。

事實上，光子芯片或許將會是未來最適合用來作為 AI 計算的硬件架構(gòu)，這是因為光的特性先天適合線性計算（AI 計算里最重要的部分），這包含了高維度的并行計算。相對的，雖然量子計算近來也因為 AI 而受到關(guān)注，但量子計算還是比較偏向擅長解碼或搜索的領(lǐng)域，另外在量產(chǎn)的生態(tài)上也還不太成熟，但潛力卻不容小覷。

從傳輸走向計算，光子芯片將成終極計算解決方案？

從 2006 年開始，英特爾推出首款標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝的電子混合硅激光器之后，電和光這兩個截然不同的物理現(xiàn)象終于成功被湊在一起。往后數(shù)年，基于此技術(shù)的超高帶寬光學(xué)傳輸架構(gòu)更成為高性能數(shù)據(jù)中心的最愛，借此有效降低了大量數(shù)據(jù)傳輸造成的系統(tǒng)瓶頸。

2015 年，IBM 研究人員，發(fā)表了針對光子計算的新實驗性技術(shù)，通過把硅光子數(shù)組集成到與 CPU 相同的封裝尺寸中。硅光子技術(shù)的問題一直在于芯片的光學(xué)接口，不過 IBM 的光子解決方案能被應(yīng)用于系統(tǒng)單芯片 (SoC)，以廉價的標(biāo)準(zhǔn)連接器 (edge connector) 在芯片之間傳輸光，或是只要將 CMOS 芯片邊緣接在一起就能進行芯片對芯片的通訊。

這些光子芯片的發(fā)展主要是作為解決傳統(tǒng)芯片與芯片之間，或芯片與存儲系統(tǒng)之間的互連問題。而憑借集成度高的光子芯片的發(fā)明，取代了過去龐大復(fù)雜的光傳輸架構(gòu)，且速度能更快，延遲更低。

然而，真正把“光子”帶往計算領(lǐng)域，甚至架構(gòu)成“光子芯片”的概念，卻是近兩年才逐漸被發(fā)掘出來。

由于半導(dǎo)體芯片技術(shù)雖依靠新應(yīng)用與算法的整合，能做到的事情也越來越多，但實際上芯片架構(gòu)本身還是基于同樣的邏輯之下，且受限于半導(dǎo)體工藝，計算能力、規(guī)模以及功耗、成本形成難以均衡的四角關(guān)系。

這時，業(yè)界也開始積極尋找能突破現(xiàn)況的新計算技術(shù)。GPGPU、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片、DSP、FPGA 都在不同的時期被提出來，擅長解決特定應(yīng)用計算領(lǐng)域，但這些芯片并沒有解決根本的問題，也就是其基于半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)所面臨的物理特性限制。

光子突觸作用原理

由 AI 所帶起的計算需求不斷膨脹，促進了處理架構(gòu)持續(xù)推陳出新，譬如英特爾未來將結(jié)合 CPU 與 FPGA 計算能力，借以應(yīng)對更復(fù)雜的應(yīng)用情境；英偉達則是在其最新一代的 GPU 方案上大幅強化推理性能。除此之外，亦有不少希望能夠針對特定計算推出更適合的新架構(gòu)，比如說類神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片 (NPU)、量子計算機 (Quantum computing)，以及最新的計算概念：基于光子回路 (Photonic Circuits) 的計算架構(gòu)。

實際上，“光”被使用在計算環(huán)境中已經(jīng)有超過數(shù)十年的歷史，過去主要用以在不同芯片或存儲設(shè)備間傳輸數(shù)據(jù)之用，而因為相關(guān)的傳輸技術(shù)成本太高，且必須搭配昂貴的周邊才能顯現(xiàn)出其效益，也因此，“光”的傳輸從沒有被普及到消費市場，導(dǎo)致我們對這個事實沒有太明確的認(rèn)知。

然而，計算則是另一層次的問題。

SMART Photonics的光子芯片

用很簡單的概念解釋光子計算芯片，就是在芯片上使用了無數(shù)個光學(xué)開關(guān)器，作用就類似半導(dǎo)體芯片中的邏輯柵，利用不同波長，相位和強度的光線組合，在復(fù)雜的反射鏡、濾波器以及棱鏡結(jié)構(gòu)所組成的數(shù)組中進行信息處理。

硅光子和微電子一樣，都是基于硅材料的半導(dǎo)體架構(gòu)。而硅作為光學(xué)通信傳輸方面的應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)普及，由于光的快速反應(yīng)和并行特性，能瞬間傳輸大量數(shù)據(jù)，因此被普遍應(yīng)用在數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器上。也因為光子傳輸過程穩(wěn)定，并行能力強，且糾錯設(shè)計相對簡單，傳輸和轉(zhuǎn)換所需要的能量極小，所以采用光子計算的架構(gòu)理論上可以做到相對低的功耗表現(xiàn)。其次，光子芯片理論上也能做到規(guī)模極小的應(yīng)用上，比如說移動設(shè)備中。

光子芯片可沿用目前成熟的半導(dǎo)體工藝技術(shù)，而目前仍處于實驗階段的光子芯片僅需要老舊的微米級工藝就可達到大幅超越既有半導(dǎo)體芯片的計算能力，也因此未來工藝微縮空間極大。而憑借芯片密度的增加，性能還能大幅成長，甚至有機會徹底改寫摩爾定律的限制。

沿用 CMOS 工藝是光子計算最大優(yōu)勢，但目標(biāo)非取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體計算:

CMOS

沈亦晨表示，由于光子芯片基本上還是以目前的 CMOS 制造工藝為基礎(chǔ)，相對于量子計算使用的特殊工藝，在成本或量產(chǎn)技術(shù)方面都要更有優(yōu)勢，雖然目前實驗室中的光子芯片在密度上還比不過傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片，但已經(jīng)比量子芯片好很多了。

而光子芯片的效能取決于架構(gòu)和算法，比如說同時使用多少路不同波長的光來進行組合，或者是在芯片中使用的光學(xué)信號的帶寬，以及光電轉(zhuǎn)換時的瓶頸，但是單從光的物理特性上來看，在合適的算法上要做到傳統(tǒng)半導(dǎo)體芯片的百倍速度是不會有太大的問題的。

當(dāng)然，理論上光子芯片可以做到規(guī)模很大，也可以做到很小，但因為光不適合做非線性運算，另外光芯片的集成度和尺寸還是會有一定的規(guī)范，要完全取代半導(dǎo)體芯片還是有很大的難度。

從芯片、算法到周邊的生態(tài)正在發(fā)展中:

沈亦晨強調(diào)，目前 Lightelligence 的光子芯片發(fā)展已經(jīng)完成實驗室階段的展示，在算法、總線以及存儲方面都有相對應(yīng)的設(shè)計正在進行，當(dāng)然，計算芯片最重要的還是生態(tài)，這點也需要更多科研機構(gòu)和公司加入到擴展光學(xué)計算這一領(lǐng)域來共同建立。

因為主力產(chǎn)品是芯片，所以核心部分在于算法和硬件的結(jié)合，以及相對應(yīng)的芯片指令以及編譯程序，而 Lightelligence 的工作就是要讓開發(fā)出來的芯片可以應(yīng)用到目前市場上流行的框架中，比如說 TensorFlow、Caffe 等。

另外，由于光子計算在傳輸或者是存儲有其特殊性， Lightelligence 也在開發(fā)相對應(yīng)的周邊設(shè)計。當(dāng)然，沿用目前的存儲系統(tǒng)雖可加快落地商用速度，但可能就會限制光子計算的性能表現(xiàn)，因此這部分未來還是會以搭配針對光子計算優(yōu)化的設(shè)計為目標(biāo)，才更能凸顯光子計算的整體優(yōu)勢。

如今 Lightelligence 團隊正努力改善光子計算的相關(guān)生態(tài)，目前當(dāng)然還不成熟，不過業(yè)界對于高性能計算，甚至更好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算架構(gòu)有著非常高的期待，相信其光子計算架構(gòu)落地之后，可以大大加速整體 AI 計算生態(tài)的變革。

沈亦晨表示，不論是特定用途，或者是針對通用計算能力，這個都會是芯片架構(gòu)發(fā)展的不同過程的選擇。Lightelligence首先還是會以技術(shù)或應(yīng)用場景比較成熟的光子芯片應(yīng)用著手，然后再逐步去擴大可應(yīng)用的范圍。同時也在努力開發(fā)光子芯片前后端的技術(shù)，為未來不同的計算場景進行更好的適配。

沈亦晨強調(diào)，總體來講，在實現(xiàn)光子計算的路上還有很多重大的工程改進需要完成，但和過去的種種光子計算的嘗試相比，現(xiàn)在可能是最好的時機，也是最接近實現(xiàn)的一次。