Die optische Datenverarbeitung entwickelt sich im Bereich der KI rasant und hat breite Anwendungsmöglichkeiten. Vor kurzem hat das Halbleiterforschungsteam der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen hochintegrierten optischen Faltungsprozessor entwickelt. Dies ist ein wichtiger Durchbruch im Bereich der optischen Datenverarbeitung in China.
Vor einigen Tagen gab die Chinesische Akademie der Wissenschaften bekannt, dass das Team um den Forscher Li Ming und den Akademiker Zhu Ninghua von der Forschungsgruppe für Mikrowellenoptoelektronik des Staatlichen Schlüssellabors für integrierte Optoelektronik am Institut für Halbleiter der Chinesischen Akademie der Wissenschaften einen hochintegrierten optischen Faltungsprozessor entwickelt hat. Die entsprechenden Forschungsergebnisse wurden in „Nature-Communications” unter dem Titel „Kompakte optische Faltungsverarbeitungseinheit auf Basis von Multimode-Interferenz” veröffentlicht.
Einführung in den optischen Faltungsprozessor
Ein Faltungsneuronales Netzwerk ist ein künstliches neuronales Netzwerk, das vom biologischen visuellen Nervensystem inspiriert ist. Es besteht aus mehreren Schichten von Faltungs-, Pooling- und vollständig verbundenen Schichten. Als Kernkomponente des Faltungsneuronalen Netzwerks extrahiert die Faltungsschicht Merkmale verschiedener Ebenen und Abstraktionsstufen durch lokale Wahrnehmung und Gewichtsverteilung der Eingabedaten. In einem vollständigen Convolutional Neural Network macht die Berechnung der Convolution-Operation in der Regel mehr als 80 % der Berechnung des gesamten Netzwerks aus. Convolutional Neural Networks sind zwar in Bereichen wie der Bilderkennung erfolgreich, stehen aber auch vor Herausforderungen. Das traditionelle Convolutional Neural Network basiert hauptsächlich auf der elektrischen Hardware-Implementierung der von-Neumann-Architektur. Die Speichereinheit und die Verarbeitungseinheit sind voneinander getrennt, was zu einem inhärenten Widerspruch zwischen Datenaustauschgeschwindigkeit und Energieverbrauch führt. Mit zunehmendem Datenvolumen und steigender Netzwerkkomplexität wird es für elektronische Rechenlösungen immer schwieriger, den Bedarf an schneller, stromsparender Rechenhardware für die Echtzeitverarbeitung großer Datenmengen zu decken.
Optisches Rechnen ist eine Technologie, die Lichtwellen als Träger für die Informationsverarbeitung nutzt. Sie hat die Vorteile einer großen Bandbreite, geringer Latenz und eines geringen Stromverbrauchs. Das Problem des Datenverkehrs im Neumann-Rechenparadigma. Optisches Rechnen hat in den letzten Jahren viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen, aber in den meisten der berichteten optischen Rechenschemata steigt die Anzahl der optischen Elemente quadratisch mit der Größe der Rechenmatrix, was die Skalierung von optischen Rechenchips zu einer Herausforderung macht.
Forschungsergebnisse zum optischen Faltungsprozessor
Die von Ming Li-Ning-Hua Zhus Team vorgeschlagene optische Faltungsverarbeitungseinheit konstruiert drei 2×2 korrelierte reellwertige Faltungskerne durch zwei 4×4-Multimode-Interferenzkoppler und vier Phasenschieber (Abbildung 1). Das Team kombiniert auf innovative Weise die Wellenlängenmultiplextechnik mit der Multimode-Interferenz von Licht, um die Kernel-Elemente in Bezug auf die Wellenlänge zu charakterisieren. Die Eingangs-Ausgangs-Zuordnung realisiert den Multiplikationsvorgang in der Faltung, die Wellenlängenmultiplexierung und die photoelektrische Umwandlung realisieren den Additionsvorgang in der Faltung, und die entsprechende Neukonfiguration des Faltungskerns wird durch Einstellen der vier thermischen Phasenschieber realisiert (Abbildung 2).
Die vom Team vorgeschlagene optische Faltungsverarbeitungseinheit überprüft experimentell die Merkmalsextraktions- und Klassifizierungsfähigkeit handgeschriebener digitaler Bilder. Die Ergebnisse zeigen, dass die Genauigkeit der Bildmerkmalextraktion 5 Bit erreicht; die Genauigkeit handgeschriebener Ziffern aus der MNIST-Datenbank für handgeschriebene Ziffern beträgt 92,17 % in zehn Klassen. Im Vergleich zu anderen optischen Rechenschemata hat dieses Schema folgende Vorteile: (1) Hohe Rechendichte: Durch die Kombination von optischer Wellenlängenmultiplextechnologie mit optischer Multimode-Interferenztechnologie werden vier Modulationseinheiten verwendet, um drei 2×2-Realwert-Kernel-Paralleloperationen zu realisieren, und die Rechendichte erreicht 12,74 T MACs/s/mm2. (2) Lineare Skalierbarkeit: Die Anzahl der Modulationseinheiten wächst linear mit der Matrixgröße, was ein sehr großes Potenzial für die großflächige Integration bietet.
Vorteile und Anwendungen von optischen Chips
Die von Lightmatter und Lightelligence vertretenen Unternehmen haben einen neuen Typ von optischem Silizium-Computerchip auf den Markt gebracht, dessen Leistung die der aktuellen KI-Computerchips bei weitem übertrifft. Nach Angaben von Lightmatter ist der von ihnen eingeführte Envise-Chip 1,5- bis 10-mal schneller als der A100-Chip von Nvidia.
Der Laserchip und der Detektorchip werden zusammen als optischer Chip bezeichnet. Der optische Chip ist die Grundkomponente für die Realisierung der photoelektrischen Signalumwandlung, und seine Leistung bestimmt die Übertragungseffizienz des optischen Kommunikationssystems. Im Vergleich zu herkömmlichen optischen Komponenten bieten optische Chips die Vorteile einer geringen Größe, eines geringen Gewichts, eines niedrigen Stromverbrauchs und einer hohen Integration und ermöglichen eine schnelle, hochpräzise und äußerst zuverlässige optische Signalverarbeitung und -übertragung. Vor dem Hintergrund des massiven Wachstums im Bereich der Recheninfrastruktur werden optische Chips enorme Chancen bieten.
Mit steigender Übertragungsrate steigt auch der Anteil der optischen Chips an den Kosten für optische Module. Optische Chips machen 30 % der optischen Module unter 10 Gbs, 40 % der optischen Module zwischen 10 Gbs und 25 Gbs und 40 % der optischen Module über 25 Gbs aus. Zhongguang-Chips machten 60 % aus.
Optische Module werden derzeit hauptsächlich im Bereich der optischen Kommunikation eingesetzt. Laut Daten von LightCounting wird der weltweite Markt für optische Module im Jahr 2022 um 14 % gegenüber dem Vorjahr wachsen. Es wird geschätzt, dass die CAGR des weltweiten Marktes für optische Module von 2022 bis 2027 bei 10 % liegen und 2027 20 Milliarden US-Dollar überschreiten wird.
Bedarfsanalyse der optischen Chip-Industriekette
Die Entwicklung optischer Chips ist untrennbar mit der optischen Kommunikation und optischen Modulen verbunden, und die Branche befindet sich in einer Phase beschleunigter Entwicklung. Optische Chips sind ein wichtiger Bestandteil der optischen Kommunikation und optischer Module. Mit der Entwicklung der optischen Kommunikationsbranche und den Veränderungen in den Anwendungsszenarien beschleunigen sowohl optische Module als auch optische Chips ihre Entwicklung. Die optische Modulindustrie hat eine jahrzehntelange Entwicklung hinter sich, und die anfängliche Bildung des industriellen Systems der photonischen Integrationstechnologie hat die rasante Entwicklung der optischen Chipindustrie vorangetrieben. Optische Chips spielen eine wichtige Rolle bei der Reduzierung von Faserverlusten und anderen Aspekten und haben ein großes Entwicklungspotenzial in neuen Bereichen.
Aus Sicht der gesamten optischen Kommunikationsindustriekette bilden optische Chips und elektrische Chips, Strukturkomponenten, Hilfsmaterialien usw. den vorgelagerten Bereich der optischen Kommunikationsindustrie, den mittleren Bereich der Industrie für optische Geräte, einschließlich optischer Komponenten und optischer Module, den nachgelagerten Bereich der Industrie, der zu Systemgeräten zusammengebaut wird, und schließlich den Telekommunikationsmarkt, wie z. B. Glasfaserzugang, 4G/5G-Mobilfunknetze, Cloud Computing, Rechenzentren von Internetanbietern und andere Bereiche.
Mit der steigenden Nachfrage nach optischer Kommunikation wächst auch die Nachfrage nach optischen Kommunikationschips rapide. ICC schätzt, dass der Markt für Hochgeschwindigkeits-Optikchips in China im Jahr 2023 ein Volumen von 3,022 Milliarden US-Dollar und im Jahr 2025 von 4,34 Milliarden US-Dollar erreichen wird. Gleichzeitig wird erwartet, dass Chinas Anteil am globalen Markt für optische Kommunikationschips weiter steigen wird.
Derzeit erobert eine neue Runde der technologischen Revolution, die durch KI repräsentiert wird, die Welt, und ChatGPT, entwickelt von OpenAI, sorgt dafür, dass AIGC viel Aufmerksamkeit auf sich zieht. Vor dem Hintergrund der beschleunigten Kommerzialisierung von AIGC-Anwendungen wird das massive Wachstum und die Aufrüstung der Recheninfrastruktur zu einem unvermeidlichen Trend werden. Vor dem Hintergrund des Aufbaus der Recheninfrastruktur wird erwartet, dass optische Chips eine neue Runde von Wachstumschancen einläuten werden.
Was die konkreten Anwendungen betrifft, so führen die Rechenanforderungen von AIGC zu einer Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits- und Breitbandnetzen, und die Entwicklung von optischen Modulen hin zu höheren Geschwindigkeiten wird die technologische Aufrüstung und den Austausch von optischen Chips stark vorantreiben. Gleichzeitig hat die Modernisierung der Netzwerkarchitektur von Rechenzentren zu einer Zunahme der internen optischen Verbindungen geführt, und die traditionelle dreischichtige Architektur von Rechenzentren wandelt sich zu einer Leaf-Spine-Architektur, was bedeutet, dass optische Module schnellere Übertragungsraten und höhere Abdeckungsraten benötigen und mittel- bis hochpreisige optische Chips voraussichtlich rasch expandieren werden. Die rasche Einführung von LIDAR und anderen Anwendungen wird ebenfalls die Nachfrage nach optischen Chips stark ankurbeln.
Die Entwicklungslandschaft optischer Chips in China
Während Europa und die Vereinigten Staaten in der optischen Chip-Technologie führend sind, holen chinesische Unternehmen in diesem Bereich auf, und der globale Markt wird derzeit von den Vereinigten Staaten, China und Japan dominiert. Globale optische Chip-Unternehmen haben eine geschlossene Industriekette und hohe Branchenbarrieren gebildet und können wichtige Prozesse wie Chipdesign, Wafer-Epitaxie und Massenproduktion von optischen Chips mit 25G und höheren Raten selbstständig durchführen. Einige chinesische optische Chip-Unternehmen haben bereits ein führendes Niveau erreicht, und ihre Wettbewerbsfähigkeit wird mit der Verbesserung der technischen Fähigkeiten und der Marktakzeptanz weiter gesteigert werden.
Nach Jahren der Entwicklung entwickeln sich Chinas verschiedene Arten von optischen Chips rasant, wobei sich folgendes Muster abzeichnet:
- Optische Chips mit 2,5 G und darunter: Diese werden hauptsächlich im Glasfaserzugangsmarkt eingesetzt, wobei inländische Hersteller von optischen Chips den größten Marktanteil haben.
- 10G-Optikchips: werden hauptsächlich im Glasfaserzugangsmarkt, im Mobilfunkmarkt und im Rechenzentrumsmarkt eingesetzt. Chinas Optikchip-Unternehmen beherrschen im Wesentlichen die Kerntechnologie des 10G-Optikchips, aber einige Modelle haben noch eine hohe technische Schwelle und sind auf Importe angewiesen.
- Optische Chips mit 25G und mehr: werden hauptsächlich im Mobilfunkmarkt und im Rechenzentrumsmarkt eingesetzt, darunter 25G-, 50G- und 100G-Laser- und Detektorchips.
Dennoch ist die Nachfrage Chinas nach optischen Hochgeschwindigkeits-Chips hoch. 25G und höhere Geschwindigkeiten gehören zu den optischen Hochgeschwindigkeits-Chips, die derzeit von führenden Unternehmen in Europa, Amerika und Japan dominiert werden. Oclaro, Avago, NeoPhotonics usw. verfügen über 50G-EML-Chip-Kapazitäten, DFB- und VCSEL-Laserchips haben die höchste Geschwindigkeit von 50G für den großflächigen kommerziellen Einsatz erreicht, Finisar, AAOI und Oclaro verfügen über 50G-EML-Chip-Kapazitäten, AAOI und Oclaro über 50G-PAM4-DML-Chip-Kapazitäten, und es besteht eine Lücke zwischen China und dem führenden Niveau der ausländischen Industrie.
Positiv ist, dass die Hauptanwendungsszenarien für optische Chips Glasfaserzugänge, 4G/5G-Mobilfunknetze, Rechenzentren usw. gehören zu den wichtigsten Bereichen für Geschwindigkeitssteigerungen und Generationswechsel. Angesichts der steigenden Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsübertragungen wird der Anteil optischer Chips in zukünftigen 25G-Optikmodulen allmählich zunehmen, und bis 2025 wird der Gesamtmarkt ein Volumen von 4,340 Milliarden US-Dollar erreichen, mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 21,40 %. Die Wachstumsrate wird 21,40 % erreichen, und es wird erwartet, dass chinesische Hersteller im Bereich der Hochgeschwindigkeits-Optikchips durch ihre eigene technische Stärke Selbstversorgung erreichen werden.
Fazit
Der optische Faltungsprozessor konzentriert sich auf den Bereich des optischen Rechnens, einer Technologie, die optische Geräte und optische Phänomene für die Informationsverarbeitung und das Rechnen nutzt. Die Optik kann mehrere Informationen gleichzeitig verarbeiten und ermöglicht so ein effizientes paralleles Rechnen. Mit der Entwicklung der künstlichen Intelligenz kann die optische Rechentechnologie die Trainingsbeschleunigung von tiefen neuronalen Netzen, optischen neuronalen Netzen, optischen Logikgattern usw. anwenden.
Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der künstlichen Intelligenz werden die Anforderungen an Rechengeschwindigkeit und Effizienz immer höher. Optische Rechenchips bieten eine Lösung mit hoher Effizienz und geringem Energieverbrauch und werden voraussichtlich zu einem wichtigen Bestandteil der zukünftigen künstlichen Intelligenzindustrie werden.
