Оптические вычисления быстро развиваются в области искусственного интеллекта и имеют широкие перспективы применения. Недавно группа исследователей полупроводников Китайской академии наук разработала сверхвысокоинтегрированный оптический конволюционный процессор. Это стало значительным прорывом в области оптических вычислений в Китае.
Несколько дней назад Китайская академия наук объявила, что группа исследователей под руководством Ли Мина и академика Чжу Нинхуа из группы по исследованию микроволновой оптоэлектроники Государственной ключевой лаборатории интегрированной оптоэлектроники Института полупроводников Китайской академии наук разработала сверхвысокоинтегрированный оптический процессор свертки. Соответствующие результаты исследования были опубликованы в журнале «Nature-Communications» под названием «Компактный оптический процессор свертки на основе многомодовой интерференции».
Введение в оптический конволюционный процессор
Сверточная нейронная сеть — это искусственная нейронная сеть, вдохновленная биологической зрительной нервной системой. Она состоит из нескольких слоев сверточных, пулинговых и полностью связанных слоев. Являясь основным компонентом сверточной нейронной сети, сверточный слой извлекает особенности разных уровней и уровней абстракции посредством локального восприятия и совместного использования весов входных данных. В полной сверточной нейронной сети вычисления сверточных операций обычно составляют более 80 % вычислений всей сети. Хотя сверточные нейронные сети успешно применяются в таких областях, как распознавание изображений, они также сталкиваются с рядом проблем. Традиционная сверточная нейронная сеть в основном основана на электрической аппаратной реализации архитектуры фон Неймана. Блок хранения и блок обработки разделены, что приводит к внутреннему противоречию между скоростью обмена данными и потреблением энергии. С увеличением объема данных и сложности сети электронным вычислительным решениям становится все труднее удовлетворить спрос на высокоскоростное вычислительное оборудование с низким энергопотреблением для обработки больших объемов данных в режиме реального времени.
Оптические вычисления — это технология, в которой световые волны используются в качестве носителя для обработки информации. Она обладает такими преимуществами, как большая пропускная способность, низкая задержка и низкое энергопотребление. Проблема приливной передачи данных в вычислительной парадигме фон Неймана. В последние годы оптические вычисления привлекают к себе много внимания, но в большинстве описанных схем оптических вычислений количество оптических элементов увеличивается квадратично с размером вычислительной матрицы, что делает масштабирование оптических вычислительных чипов сложной задачей.
Результаты исследований оптического конволюционного процессора
Блок оптической свертки, предложенный командой Мин Ли-Нинг-Хуа Чжу, создает три 2×2 коррелированных ядра свертки с вещественными значениями с помощью двух 4×4 многомодовых интерференционных соединителей и четырех фазовых сдвигателей (рис. 1). Команда инновационно сочетает технологию мультиплексирования по длине волны с многомодовой интерференцией света для характеристики элементов ядра с точки зрения длины волны, отображение входа-выхода реализует процесс умножения в свертке, мультиплексирование по длине волны и фотоэлектрическое преобразование реализуют операцию сложения в свертке, а соответствующая реконфигурация ядра свертки реализуется путем регулировки четырех тепловых фазовых сдвигателей (рис. 2).
Предложенный командой блок обработки оптической свертки экспериментально подтверждает способность извлекать и классифицировать особенности рукописных цифровых изображений. Результаты показывают, что точность извлечения особенностей изображения достигает 5 бит; точность распознавания рукописных цифр из базы данных MNIST составляет 92,17% по десяти классам. По сравнению с другими схемами оптических вычислений, данная схема имеет следующие преимущества: (1) высокая арифметическая плотность: сочетая технологию оптического мультиплексирования по длине волны с технологией оптической многомодовой интерференции, четыре модулятора используются для реализации трех 2×2 параллельных операций с реальными значениями ядра, а арифметическая плотность достигает 12,74 Т MAC/с/мм2. (2) линейная масштабируемость: количество модуляционных блоков растет линейно с размером матрицы, что имеет очень большой потенциал для крупномасштабной интеграции.
Преимущества и области применения оптических чипов
Компании Lightmatter и Lightelligence представили новый тип кремниевого оптического вычислительного чипа, который значительно превосходит по производительности существующие вычислительные чипы для искусственного интеллекта. Согласно данным Lightmatter, выпущенный ими чип Envise работает в 1,5–10 раз быстрее, чем чип A100 от Nvidia.
Лазерный чип и детекторный чип в совокупности называются оптическим чипом. Оптический чип является основным компонентом для реализации фотоэлектрического преобразования сигнала, и его производительность определяет эффективность передачи оптической системы связи. По сравнению с традиционными оптическими компонентами, оптические чипы имеют такие преимущества, как небольшой размер, легкий вес, низкое энергопотребление и высокая степень интеграции, а также могут обеспечивать высокоскоростную, высокоточную и высоконадежную обработку и передачу оптических сигналов. В контексте массового роста строительства инфраструктуры вычислительных мощностей оптические чипы откроют огромные возможности.
С увеличением скорости передачи данных доля оптических чипов в стоимости оптических модулей также увеличивается. Оптические чипы составляют 30% оптических модулей ниже 10 Гбит/с, 40% оптических модулей 10 Гбит/с-25 Гбит/с и 40% оптических модулей выше 25 Гбит/с. Чипы Zhongguang составляют 60%.
В настоящее время оптические модули в основном используются в области оптической связи. Согласно данным LightCounting, в 2022 году мировой рынок оптических модулей вырастет на 14% по сравнению с предыдущим годом. По оценкам, среднегодовой темп роста мирового рынка оптических модулей с 2022 по 2027 год составит 10%, а в 2027 году превысит 20 млрд долларов США.
Анализ спроса в цепочке производства оптических чипов
Разработка оптических чипов неотделима от оптической связи и оптических модулей, и отрасль находится в стадии ускоренного развития. Оптические чипы являются важной частью оптической связи и оптических модулей, и с развитием отрасли оптической связи и изменениями в сценариях применения как оптические модули, так и оптические чипы ускоряют свое развитие. Отрасль оптических модулей прошла десятилетия развития, и первоначальное формирование промышленной системы фотонной интеграционной технологии стимулировало быстрое развитие отрасли оптических чипов. Оптические чипы играют важную роль в снижении потерь в оптоволокне и других аспектах и имеют большой потенциал для развития в новых областях.
С точки зрения всей цепочки оптической связи, оптические чипы и электрические чипы, структурные компоненты, вспомогательные материалы и т. д. составляют верхнюю часть отрасли оптической связи, среднюю часть отрасли — оптические устройства, включая оптические компоненты и оптические модули, нижнюю часть отрасли — системное оборудование, которое в конечном итоге используется на рынке телекоммуникаций, например, в области оптоволоконного доступа, сетей мобильной связи 4G/5G, облачных вычислений, центров обработки данных интернет-провайдеров и других областях.
По мере роста спроса на оптическую связь быстро растет спрос на чипы для оптической связи. По оценкам ICC, объем рынка высокоскоростных оптических чипов в Китае, как ожидается, достигнет 3,022 млрд долларов США в 2023 году и 4,34 млрд долларов США в 2025 году. В то же время ожидается, что доля Китая на мировом рынке чипов для оптической связи будет продолжать расти.
В настоящее время новый виток технологической революции, представленный искусственным интеллектом, охватывает весь мир, а разработанный OpenAI ChatGPT привлекает большое внимание к AIGC. В контексте ускоренной коммерциализации приложений AIGC массовый рост и модернизация арифметической инфраструктуры станут неизбежной тенденцией. На фоне строительства арифметической инфраструктуры ожидается, что оптические чипы откроют новый виток возможностей для роста.
С точки зрения конкретных приложений, арифметические требования AIGC приводят к спросу на высокоскоростные сети с большой пропускной способностью, а эволюция оптических модулей к более высоким скоростям будет сильно способствовать технологическому обновлению и замене оптических чипов. В то же время модернизация сетевой архитектуры центров обработки данных привела к увеличению внутренних оптических соединений, а традиционная трехслойная архитектура центров обработки данных переходит к архитектуре «лист-позвоночник», что означает, что оптические модули нуждаются в более высоких скоростях передачи и более высоких коэффициентах покрытия, и ожидается, что оптические чипы среднего и высокого уровня будут быстро расширяться. Быстрое внедрение LIDAR и других приложений также будет сильно стимулировать спрос на оптические чипы.
Развитие оптических чипов в Китае
Хотя Европа и США лидируют в области технологий оптических чипов, китайские компании, производящие оптические чипы, также догоняют их, и в настоящее время на мировом рынке доминируют США, Китай и Япония. Глобальные компании, производящие оптические чипы, сформировали замкнутую отрасль с высокими барьерами для входа и могут самостоятельно выполнять ключевые процессы, такие как проектирование чипов, эпитаксия пластин и массовое производство оптических чипов со скоростью 25G и выше. Некоторые китайские компании, производящие оптические чипы, уже достигли ведущего уровня, и их конкурентоспособность будет еще более усиливаться с улучшением технических возможностей и признанием рынка.
После многих лет развития различные типы оптических чипов в Китае быстро развиваются, и конкретная картина выглядит следующим образом:
- Оптические чипы 2,5G и ниже: в основном используются на рынке оптоволоконного доступа, основную долю рынка занимают отечественные компании-производители оптических чипов.
- Оптические чипы 10G: в основном используются на рынке оптоволоконного доступа, рынке мобильных сетей связи и рынке центров обработки данных. Китайские компании-производители оптических чипов в основном освоили основные технологии производства оптических чипов 10G, но некоторые модели по-прежнему имеют высокий технический порог и зависят от импорта.
- Оптические чипы 25G и выше: в основном используются на рынке сетей мобильной связи и рынке центров обработки данных, включая лазерные и детекторные чипы 25G, 50G, 100G.
Тем не менее, спрос на высокоскоростные оптические чипы в Китае высок. Скорости 25G и выше относятся к высокоскоростным оптическим чипам, которые в настоящее время доминируют ведущие компании в Европе, Америке и Японии, Oclaro, Avago, NeoPhotonics и т. д. имеют возможность производства чипов 50G EML, лазерные чипы DFB и VCSEL достигли максимальной скорости 50G для крупномасштабного коммерческого использования, Finisar, AAOI, Oclaro имеют возможность производства чипов 50G EML, AAOI и Oclaro имеют возможность производства чипов 50G PAM4 DML, и между Китаем и ведущими зарубежными компаниями существует разрыв.
Хорошей новостью является то, что основные сценарии применения оптических чипов включают оптоволоконный доступ, сети мобильной связи 4G/5G, центры обработки данных и т. д., которые находятся в ключевом периоде повышения скорости и смены поколений, в контексте растущего спроса на высокоскоростную передачу данных, доля оптических чипов, используемых в будущих оптических модулях со скоростью 25G, будет постепенно расширяться, и к 2025 году общий объем рынка достигнет 4,340 млрд долларов, с совокупным годовым темпом роста 21,40%. Темпы роста достигнут 21,40%, и ожидается, что китайские производители в области высокоскоростных оптических чипов достигнут самообеспеченности за счет собственных технических возможностей.
Заключение
Оптический конволюционный процессор ориентирован на область оптических вычислений, которая представляет собой технологию, использующую оптические устройства и оптические явления для обработки информации и вычислений. Оптика может обрабатывать несколько фрагментов информации одновременно, что позволяет осуществлять эффективные параллельные вычисления. С развитием искусственного интеллекта технология оптических вычислений может применяться для ускорения обучения глубоких нейронных сетей, оптических нейронных сетей, оптических логических вентилей и т. д.
С непрерывным развитием технологий искусственного интеллекта требования к скорости и эффективности вычислений становятся все выше и выше. Оптические вычислительные чипы могут обеспечить высокую эффективность и низкое энергопотребление и, как ожидается, станут важной частью будущей индустрии искусственного интеллекта.
