11 月 20 日，由蘇州市相城區(qū)人民政府與《麻省理工科技評(píng)論》聯(lián)合主辦的 EmTech China 2020 全球新興科技峰進(jìn)入第二天議程。今年，EmTech China 邀請(qǐng)到了數(shù)十位頂級(jí)科學(xué)家、海內(nèi)外院士、商業(yè)領(lǐng)袖、科創(chuàng)精英蒞臨現(xiàn)場(chǎng)，探討新興科技發(fā)展現(xiàn)狀及其為人類社會(huì)帶來(lái)的巨大影響。會(huì)上，曦智科技聯(lián)合創(chuàng)始人兼 CEO 沈亦晨分享了光子芯片加速智能算法和智能計(jì)算的主題演講。

以下為經(jīng)過(guò)整理后的演講實(shí)錄：

大家好，我叫沈亦晨。今天聽了那么多演講，我覺(jué)得基本上可以確定大數(shù)據(jù)時(shí)代已經(jīng)來(lái)了，大數(shù)據(jù)時(shí)代和智能時(shí)代最關(guān)鍵的兩要素之一是數(shù)據(jù)。我們肯定需要越來(lái)越多的海量數(shù)據(jù)來(lái)幫助我們訓(xùn)練更智慧的模型。

第二個(gè)同樣重要的元素，就是處理數(shù)據(jù)硬件、也就是芯片。未來(lái)的應(yīng)用數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)的終端一定會(huì)越來(lái)越多。在未來(lái)十年里，數(shù)據(jù)量一定會(huì)繼續(xù)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。

另一方面，處理數(shù)據(jù)的硬件在過(guò)去十年里發(fā)生了很多事情。如果大家把 2020 年的電腦和 2010 年的電腦相比，可能你會(huì)發(fā)現(xiàn) 2010 年的電腦還可以繼續(xù)跑現(xiàn)在的軟件。但如果用 2000 年的電腦去跑 2010 年的軟件，我敢保證 99% 的軟件都跑不起來(lái)。

這說(shuō)明電腦里電子芯片的發(fā)展和算力已經(jīng)慢慢變得越來(lái)越慢，原因是受制于物理極限。隨著一步步的迭代，每一次迭代帶來(lái)的算力紅利已經(jīng)逐步減少，從 16 納米到 7 納米、再?gòu)?7 納米到 5 納米，可能很多人只看到 10% 到 20% 的增長(zhǎng)。但是再往下一步，增長(zhǎng)只會(huì)越來(lái)越小。

在未來(lái) 10 年里，用增長(zhǎng)越來(lái)越緩慢的電子芯片去匹配一個(gè)增長(zhǎng)越來(lái)越快的數(shù)據(jù)需求，這可能是目前該領(lǐng)域的最大挑戰(zhàn)。整個(gè)電子芯片行業(yè)很早就意識(shí)到這一問(wèn)題，所以也在不斷嘗試做出更高性能的電子芯片來(lái)滿足數(shù)據(jù)需求。

以市場(chǎng)上用得最多的旗艦產(chǎn)品為例，其中之一是 2015 年的英偉達(dá) GPU 芯片，整個(gè)芯片從面積上來(lái)看大概有 600 平方毫米，能耗大概是 100W 左右。此外，2020 年剛推出的英偉達(dá)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練和推理芯片 A100，它的面積大約是 800 多平方毫米，這并不是說(shuō)他只想做這么大，他其實(shí)可以做更大。

但是 826 平方毫米是現(xiàn)在光刻機(jī)能夠光刻出來(lái)芯片最大極限，也就是到了單個(gè)芯片大小的極限。同時(shí)，他為了把更多存儲(chǔ)和計(jì)算放在一個(gè)板卡上，現(xiàn)有產(chǎn)品是把 7 塊電子芯片同時(shí)放在一個(gè)很大的封裝里面做聯(lián)合計(jì)算，這樣的話它的能耗可達(dá)到 450W。

另一個(gè)案例，2019 年，美國(guó)初創(chuàng)公司推出一款計(jì)算芯片，其面積大約是 46225 平方毫米，芯片就像你的筆記本電腦那么大，它的能耗是 20000W，和 5 個(gè)電磁爐的能耗或者產(chǎn)生的熱量差不多大。當(dāng)然這并不是說(shuō)明未來(lái)芯片就會(huì)長(zhǎng)這樣，但至少?gòu)哪撤N程度上，能代表整個(gè)電子行業(yè)對(duì)于高性能算力的需求、以及它大的發(fā)展方向，概括來(lái)說(shuō)就是已經(jīng)慢慢接近物理極限。

我經(jīng)常把芯片設(shè)計(jì)比喻成城市發(fā)展或城市規(guī)劃，現(xiàn)在的芯片越做越大。大家去想 500 年前的城市，想把 500 年前 100 萬(wàn)的城市變成 1000 萬(wàn)人口的城市是非常困難的，因?yàn)闀?huì)受限于幾個(gè)基礎(chǔ)建設(shè)方面的問(wèn)題，一個(gè)是城市之間的交通，如果你用傳統(tǒng)馬車、步行甚至汽車，如果全都是平面道路，就沒(méi)有辦法滿足交通和供應(yīng)需求。

另外，每個(gè)樓房如果還是 500 年前的一層樓兩層樓，要想支撐起更大的城市體系也非常困難。

什么是最需要的？最需要的是從基礎(chǔ)上能幫助傳統(tǒng)電子芯片進(jìn)行下一代升級(jí)的技術(shù)，而光計(jì)算和光子芯片是最適合下一代計(jì)算芯片基建技術(shù)的選擇。

首先，光可以有效代替電來(lái)解決高通量和交通問(wèn)題。光纖通信已經(jīng)用了幾十年，光在傳輸信號(hào)上的能耗、延時(shí)和通量都遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于電子。另外在單個(gè)計(jì)算上，用光來(lái)做計(jì)算不需要很多邏輯門的推理，它本身是一個(gè)完全被動(dòng)的過(guò)程，所以能大大節(jié)約計(jì)算層面的能耗。

光芯片對(duì)普遍人來(lái)說(shuō)是一個(gè)比較陌生的概念，提到光可能大家想到的是照相機(jī)和透鏡這些非常大的系統(tǒng)。集成光子技術(shù)是最近 10 年以來(lái)蓬勃發(fā)展的技術(shù)，主要概念是在生產(chǎn)電子芯片的硅機(jī)上制造非常微小的微米級(jí)別光學(xué)器件，這樣就可在一個(gè)芯片上集成成千上萬(wàn)的光子元器件，并讓電子元器件非常好地結(jié)合在一起使用。

相關(guān)技術(shù)已經(jīng)慢慢接近成熟，曦智科技已經(jīng)在 2019 年成功推出了全球首款光子計(jì)算芯片原型板卡。公司目前計(jì)劃流片的產(chǎn)品級(jí)光子計(jì)算芯片，單個(gè)芯片集成 3000 個(gè)光子元器件，比之前光通信光子芯片多出 100 倍，并且這已經(jīng)是被現(xiàn)有制程和產(chǎn)業(yè)鏈所接受的技術(shù)。

曦智科技的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要是用光芯片來(lái)加速 2/3 的計(jì)算要素。任何一個(gè)計(jì)算系統(tǒng)主要有三塊計(jì)算要素：第一部分是數(shù)據(jù)處理，我們用光代替電芯片來(lái)做大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理，即大數(shù)據(jù)線性計(jì)算；第二部分是數(shù)據(jù)傳輸，傳輸包括一塊芯片上的數(shù)據(jù)傳輸、芯片之間的數(shù)據(jù)傳輸。想象一下城市里常見的城際高鐵系統(tǒng)、高速路系統(tǒng)和高架系統(tǒng)，只有具備城際和城際之間的高速系統(tǒng)，城市才能做到更大，才能有周邊的衛(wèi)星城。

曦智科技現(xiàn)在暫時(shí)不做的是第三個(gè)要素即存儲(chǔ)系統(tǒng)，我們覺(jué)得整個(gè)計(jì)算體系里，存儲(chǔ)系統(tǒng)仍舊是最核心的部分，所以我們的產(chǎn)品是光和電的結(jié)合解決方案。

光的計(jì)算技術(shù)來(lái)源于我在 MIT 學(xué)習(xí)期間從 2013 年到 2017 年四年的研究成果，當(dāng)時(shí)也發(fā)過(guò)論文。

它的概念是把傳統(tǒng)電子信號(hào)轉(zhuǎn)成光信號(hào)，讓光信號(hào)通過(guò)光子芯片，并且控制這些光之間的干涉，當(dāng)這些光相互干涉時(shí)、以及這些數(shù)字發(fā)生計(jì)算時(shí)，整個(gè)計(jì)算時(shí)間就是光線通過(guò)芯片的時(shí)間——0.1 納秒到 0.5 納秒之間。這個(gè)時(shí)間是現(xiàn)在電子芯片來(lái)做同樣大的矩陣乘法的 1%，在速度和延時(shí)上有非常大的提升。

此外，我們也做光子片與片之間的高速互聯(lián)，用光來(lái)做數(shù)據(jù)傳輸本身是非常合理的解決方案。而我們已經(jīng)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了做同樣距離的數(shù)據(jù)傳輸，比起電芯片可在能耗上節(jié)約 10 倍，這樣能更大地潤(rùn)滑芯片計(jì)算。

曦智科技的主要技術(shù)方案，是在光的計(jì)算和光的傳輸上，把它做到非常高集成，并且讓光子芯片去輔助現(xiàn)有數(shù)字電子芯片，從而加速整體運(yùn)算過(guò)程。

在曦智科技的芯片上，光子網(wǎng)絡(luò)、光子網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算單元會(huì)以光速在整個(gè)芯片上進(jìn)行傳輸和數(shù)據(jù)的交互。此外，光芯片上還會(huì)再疊加一個(gè)或幾個(gè)數(shù)字電子芯片，這樣在電子芯片上會(huì)繼續(xù)做存儲(chǔ)和簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算以及非線性運(yùn)算。當(dāng)然，我們還會(huì)有幾個(gè)光芯片來(lái)給整個(gè)光子芯片提供光源。

最后封裝下來(lái)，可能跟現(xiàn)在板卡上的芯片差不多，但是相對(duì)其他同類數(shù)字芯片，數(shù)字運(yùn)算能力可以得到 5 倍甚至 10 倍的算力提升。

有了上述愿景以后，我們非?？斓赝度氲焦庥?jì)算商業(yè)化，我們也是全球目前跑的最快的一家光計(jì)算公司。公司在 2017 年成立，現(xiàn)在已經(jīng)是第四個(gè)年頭，從互聯(lián)網(wǎng)角度來(lái)看已經(jīng)是一個(gè)比較老的公司。但是從芯片行業(yè)來(lái)看，我們還是處于比較早期階段的公司。

2019 年，曦智科技完成了第一個(gè)完整板卡系統(tǒng)，并驗(yàn)證了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法?，F(xiàn)在我們完成了第二輪融資，總共超過(guò) 7000 萬(wàn)美元，我們第一款產(chǎn)品應(yīng)該會(huì)在明年推出。

同時(shí)，我們有 100 多位工程師和研究人員，主要集中在美國(guó)和中國(guó)，其中十多位員工是來(lái)自 MIT 的科學(xué)家和工程師，70% 的芯片設(shè)計(jì)師擁有十年以上業(yè)內(nèi)工作經(jīng)驗(yàn)。做這樣一件用新技術(shù)來(lái)推動(dòng)老產(chǎn)品的事情，需要?jiǎng)?chuàng)新的年輕團(tuán)隊(duì)和有經(jīng)驗(yàn)的數(shù)字芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一起來(lái)做，我們?cè)趫F(tuán)隊(duì)規(guī)模上也達(dá)到了可以做第一個(gè)產(chǎn)品的規(guī)模。

過(guò)去幾年，我們主要做兩件事情，一是把光芯片的集成做得越來(lái)越大，曦智科技把矩陣從最早的 4×4，做到接近 100×100 的矩陣規(guī)模，并把光和電芯片做了非常緊密的結(jié)合，這樣電芯片可以疊在光芯片上來(lái)做整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)算。

大家可以把曦智科技的技術(shù)想成是一家做高算力、低能耗的下一代芯片公司，這種芯片可廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)中心，能做人工智能或大數(shù)據(jù)相關(guān)的機(jī)器學(xué)習(xí)運(yùn)算，應(yīng)用場(chǎng)景包括自動(dòng)駕駛、互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、金融等各個(gè)方面。同時(shí)也會(huì)做比較完善的軟件棧架構(gòu)來(lái)幫助客戶在使用芯片時(shí)能夠感受不到他是用在光在做。也就是光芯片和電芯片的整個(gè)接觸點(diǎn)和結(jié)合點(diǎn)都和現(xiàn)有數(shù)字芯片類似。

在公共服務(wù)領(lǐng)域，曦智科技也有非常多的切入點(diǎn)，目前在和幾個(gè)一線城市推出用芯片去做智慧交通、智慧港口、智慧安檢等一系列大數(shù)據(jù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

除 AI 以外，光子芯片的應(yīng)用場(chǎng)景不僅在機(jī)器學(xué)習(xí)上，未來(lái)很多科研包括對(duì)大氣、地理、新材料和藥物的研發(fā)，都可以通過(guò)算力更高的光電混合芯片來(lái)提高現(xiàn)有研發(fā)進(jìn)度，我們最近也有論文發(fā)在 Nature 上來(lái)講怎么用光子芯片來(lái)做藥物研發(fā)。

曦智科技現(xiàn)在也有幸和一些全球領(lǐng)先的企業(yè)產(chǎn)生成功的商業(yè)合作，光子芯片代表了一個(gè)能夠更快產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方向，其中一個(gè)主要原因是光子芯片并不是特別依賴制程，并且技術(shù)不受限制。因此，我們可以更快地用 28 納米的電子芯片做出 7 納米電子芯片的效果，正因此曦智科技最近得到了中科院的重視，并且在落地一些非常重要的項(xiàng)目。

原文標(biāo)題：曦智科技沈亦晨：光子芯片加速智能算法和智能計(jì)算

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