摩爾定律遇困境：光電混合技術(shù)成為未來(lái)計(jì)算芯片的突破口

當(dāng)前挑戰(zhàn)與光電混合的興起

隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，摩爾定律——即晶體管數(shù)量每?jī)赡攴环念A(yù)測(cè)——正面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的硅器件在性能提升方面需要付出越來(lái)越高的成本，而這一趨勢(shì)使得尋找新的技術(shù)突破口成為當(dāng)務(wù)之急。在這種背景下，光電混合技術(shù)（Optoelectronic Integration）被廣泛認(rèn)為是未來(lái)計(jì)算芯片領(lǐng)域突破性能瓶頸的有效手段。近年來(lái)，國(guó)際固態(tài)電路會(huì)議（ISSCC）和2024年世界人工智能大會(huì)（WAIC 2024）等頂級(jí)科技會(huì)議也對(duì)光電混合技術(shù)給予了高度關(guān)注。在WAIC 2024上，曦智科技展示的前沿光電混合技術(shù)成為了討論的焦點(diǎn)，吸引了廣泛的業(yè)界關(guān)注。

曦智科技在WAIC 2024的展示亮點(diǎn)

在2024年世界人工智能大會(huì)上，曦智科技展出了其最新研發(fā)的OptiHummingbird人工智能推理卡。這款產(chǎn)品基于片上光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（oNOC），是全球首款全長(zhǎng)、全高、雙插槽PCIe Gen3人工智能推理卡。OptiHummingbird不僅展示了在CPO共封裝光學(xué)技術(shù)（Co-Packaged Optics, CPO）方面的技術(shù)積累，還展現(xiàn)了其在光計(jì)算和光互連硬件領(lǐng)域的最新成果。參會(huì)觀眾對(duì)曦智科技的展臺(tái)表現(xiàn)出極大的興趣，詳細(xì)了解了這些前沿技術(shù)的應(yīng)用前景。

光電混合技術(shù)的革命性?xún)?yōu)勢(shì)

光電混合技術(shù)被譽(yù)為“未來(lái)科技之光”，這一說(shuō)法并非夸張。硅光技術(shù)通過(guò)集成光子器件在計(jì)算和傳輸方面展現(xiàn)了極大的優(yōu)勢(shì)。光子芯片具有高速、大帶寬和低功耗的特點(diǎn)，能夠有效處理海量數(shù)據(jù)，避免了電信號(hào)傳輸中的噪聲和延遲問(wèn)題。同時(shí)，硅光計(jì)算芯片能夠在單個(gè)芯片內(nèi)集成多種光子器件，提升了集成度，并且可以與現(xiàn)有的硅半導(dǎo)體器件和制造工藝兼容，為未來(lái)的計(jì)算和通信系統(tǒng)提供了新的可能性。

曦智科技的OptiHummingbird人工智能推理卡充分利用了這種技術(shù)，其芯片采用了先進(jìn)的3D封裝技術(shù)，將硅光芯片和微電子芯片通過(guò)中間層垂直堆疊。微電子芯片內(nèi)部集成了64個(gè)計(jì)算核心，而硅光芯片則負(fù)責(zé)提供oNOC（Optical Network on Chip）片上光網(wǎng)絡(luò)功能。oNOC技術(shù)不僅支持單芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，還能夠?qū)崿F(xiàn)封裝內(nèi)多個(gè)電芯片之間的數(shù)據(jù)通信，因此在多核異構(gòu)計(jì)算中扮演了關(guān)鍵角色。通過(guò)這種技術(shù)，OptiHummingbird加速卡在實(shí)現(xiàn)高計(jì)算性能的同時(shí)，僅需要被動(dòng)散熱，硬件功耗被控制在65W以?xún)?nèi)。

前沿技術(shù)與突破性成果

曦智科技在光電混合領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備涵蓋了多個(gè)前沿方向。其中，oMAC光子矩陣計(jì)算技術(shù)利用光子代替?zhèn)鹘y(tǒng)電子進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，主要進(jìn)行線(xiàn)性運(yùn)算，包括矩陣乘法和矩陣與向量之間的運(yùn)算。此外，oNET片間光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)類(lèi)似于一個(gè)光學(xué)總線(xiàn)（optical BUS），能夠在單元之間通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換。這些技術(shù)為光電混合計(jì)算提供了新的理論基礎(chǔ)和技術(shù)手段。

在展會(huì)上，曦智科技還展示了第二代光子計(jì)算處理器PACE。PACE的核心組件包括一個(gè)64x64的光學(xué)矩陣乘法器，由一塊硅光芯片和一塊CMOS微電子芯片通過(guò)3D封裝技術(shù)進(jìn)行堆疊。PACE在運(yùn)行時(shí)的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為1GHz，單個(gè)光子芯片上集成了超過(guò)10000個(gè)光子器件。展會(huì)現(xiàn)場(chǎng)的演示表明，PACE在解決復(fù)雜的最大割問(wèn)題時(shí)，其性能顯著優(yōu)于當(dāng)時(shí)市場(chǎng)上領(lǐng)先的GPU芯片，展示了光子計(jì)算在實(shí)際應(yīng)用中的巨大潛力。

推動(dòng)資源池化與全光互連的應(yīng)用探索

除了計(jì)算能力的突破，曦智科技還在光電傳輸技術(shù)方面進(jìn)行積極探索。當(dāng)前市場(chǎng)對(duì)光電傳輸?shù)男枨笾饕w現(xiàn)在兩個(gè)方面。首先，數(shù)據(jù)中心的計(jì)算和存儲(chǔ)分離式架構(gòu)日益普及，這種架構(gòu)對(duì)低延遲互連技術(shù)如PCIe和CXL有著極高的需求。光互連技術(shù)在實(shí)現(xiàn)CXL互連方面展現(xiàn)出了非常有效的解決方案。其次，構(gòu)建全光底座（All-Optical Backbone）是數(shù)據(jù)中心和網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中的重要目標(biāo)，通過(guò)超大規(guī)模的全光組網(wǎng)、城域池化波分和全光綜合接入技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)超大帶寬、超低時(shí)延和超高可靠性的網(wǎng)絡(luò)連接。這些需求都推動(dòng)了光電混合技術(shù)的發(fā)展。

在WAIC 2024上，曦智科技展示了首款兼容PCIe和CXL協(xié)議的數(shù)據(jù)中心計(jì)算光互連硬件產(chǎn)品Photowave。Photowave產(chǎn)品系列包括標(biāo)準(zhǔn)PCIe卡、OCP 3.0 SFF卡和有源光纜等多種形態(tài)，支持x16、x8、x4和x2等不同通道配置，廣泛適用于服務(wù)器平臺(tái)、CXL交換機(jī)、存儲(chǔ)應(yīng)用以及xPU之間的互連。Photowave在低延遲和能效方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，其數(shù)據(jù)傳輸延遲低于20納秒，而有源光纜的延遲甚至低于1納秒，功耗也控制在15瓦以下。特別值得一提的是，Photowave的核心技術(shù)是oNET片間光網(wǎng)絡(luò)，oNET與CXL的結(jié)合為數(shù)據(jù)中心的資源池化和橫向擴(kuò)展提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

此外，曦智科技還展示了基于OCS（Optical Circuit Switching）技術(shù)的跨服務(wù)器XPU光互連解決方案。OCS是一種光學(xué)交叉開(kāi)關(guān)原理的光信號(hào)控制交換技術(shù)，能夠在光層面上實(shí)現(xiàn)信號(hào)的快速、靈活的路由和切換，從而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端口的直接光學(xué)互連，避免了光電轉(zhuǎn)換帶來(lái)的能耗損失。

未來(lái)展望

根據(jù)Yole的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2022年全球硅光市場(chǎng)的規(guī)模達(dá)到了6800萬(wàn)美元，預(yù)計(jì)到2028年將增長(zhǎng)至6億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率預(yù)期為44%。隨著硅器件計(jì)算瓶頸的加劇，光電混合技術(shù)在計(jì)算和傳輸領(lǐng)域的巨大潛力正逐步顯現(xiàn)。曦智科技憑借其在光電混合技術(shù)方面的創(chuàng)新努力，不僅在計(jì)算能力上取得了突破，也在數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)上展現(xiàn)了前瞻性的解決方案。未來(lái)，光電混合技術(shù)有望在更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景中發(fā)揮重要作用，成為推動(dòng)計(jì)算和傳輸技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵力量。