La computación óptica se está desarrollando rápidamente en el campo de la inteligencia artificial y tiene amplias perspectivas de aplicación. Recientemente, el equipo de investigación de semiconductores de la Academia China de Ciencias desarrolló un procesador de convolución óptica ultraintegrado. Esto supone un gran avance en el campo de la computación óptica en China.
Hace unos días, la Academia China de Ciencias anunció que el equipo del investigador Li Ming y el académico Zhu Ninghua, del Grupo de Investigación en Optoelectrónica de Microondas del Laboratorio Estatal Clave de Optoelectrónica Integrada del Instituto de Semiconductores de la Academia China de Ciencias, ha desarrollado un procesador de convolución óptica ultraintegrado. Los resultados de la investigación se publicaron en «Nature-Communications» bajo el título «Unidad de procesamiento de convolución óptica compacta basada en interferencia multimodo».
Introducción al procesador de convolución óptica
La red neuronal convolucional es una red neuronal artificial inspirada en el sistema nervioso visual biológico. Se compone de múltiples capas convolucionales, de agrupación y totalmente conectadas. Como componente central de la red neuronal convolucional, la capa convolucional extrae características de diferentes niveles y grados de abstracción a través de la percepción local y el intercambio de pesos de los datos de entrada. En una red neuronal convolucional completa, el cálculo de la operación de convolución suele representar más del 80 % del cálculo de toda la red. Aunque las redes neuronales convolucionales han tenido éxito en áreas como el reconocimiento de imágenes, también se enfrentan a retos. La red neuronal convolucional tradicional se basa principalmente en la implementación de hardware eléctrico de la arquitectura von Neumann. La unidad de almacenamiento y la unidad de procesamiento están separadas, lo que da lugar a una contradicción inherente entre la velocidad de intercambio de datos y el consumo de energía. Con el aumento del volumen de datos y la complejidad de la red, cada vez es más difícil que las soluciones de computación electrónica satisfagan la demanda de hardware de computación de alta velocidad y bajo consumo para el procesamiento en tiempo real de datos masivos.
La computación óptica es una tecnología que utiliza ondas de luz como portadoras para el procesamiento de la información. Tiene las ventajas de un gran ancho de banda, baja latencia y bajo consumo de energía. El problema del transporte de datos en el paradigma de computación de Neumann. La computación óptica ha atraído mucha atención en los últimos años, pero en la mayoría de los esquemas de computación óptica descritos, el número de elementos ópticos aumenta cuadráticamente con el tamaño de la matriz de computación, lo que hace que el escalado de los chips de computación óptica sea un reto.
Resultados de la investigación sobre el procesador de convolución óptica
La unidad de procesamiento de convolución óptica propuesta por el equipo de Ming Li-Ning-Hua Zhu construye tres núcleos de convolución correlacionados de valor real 2×2 a través de dos acopladores de interferencia multimodo 4×4 y cuatro desfasadores (Figura 1). El equipo combina de forma innovadora la técnica de multiplexación por división de longitud de onda con la interferencia multimodo de la luz para caracterizar los elementos del núcleo en términos de longitud de onda, la asignación de entrada a salida realiza el proceso de operación de multiplicación en la convolución, la multiplexación por división de longitud de onda y la conversión fotoeléctrica realizan la operación de suma en la convolución, y la reconfiguración del núcleo de convolución relacionado se realiza ajustando los cuatro desfasadores de sintonización térmica (Figura 2).
La unidad de procesamiento de convolución óptica propuesta por el equipo verifica experimentalmente la capacidad de extracción y clasificación de características de imágenes digitales manuscritas. Los resultados muestran que la precisión de la extracción de características de la imagen alcanza los 5 bits; la precisión de los dígitos manuscritos de la base de datos de dígitos manuscritos MNIST es del 92,17 % en diez clases. En comparación con otros esquemas de computación óptica, este esquema tiene las siguientes ventajas: (1) alta densidad aritmética: combinando la tecnología de multiplexación por división de longitud de onda óptica con la tecnología de interferencia multimodo óptica, se utilizan cuatro unidades de modulación para realizar tres operaciones paralelas de kernel de valor real 2×2, y la densidad aritmética alcanza los 12,74 MAC/s/mm2. (2) escalabilidad lineal: el número de unidades de modulación crece linealmente con el tamaño de la matriz, lo que tiene un gran potencial para la integración a gran escala.
Ventajas y aplicaciones de los chips ópticos
Las empresas representadas por Lightmatter y Lightelligence han lanzado un nuevo tipo de chip óptico de silicio para computación, que supera con creces el rendimiento de los chips de computación de IA actuales. Según los datos de Lightmatter, el chip Envise que han lanzado funciona entre 1,5 y 10 veces más rápido que el chip A100 de Nvidia.
El chip láser y el chip detector se denominan colectivamente chip óptico. El chip óptico es el componente básico para realizar la conversión de señales fotoeléctricas, y su rendimiento determina la eficiencia de transmisión del sistema de comunicación óptica. En comparación con los componentes ópticos tradicionales, los chips ópticos tienen las ventajas de ser pequeños, ligeros, de bajo consumo y alta integración, y pueden realizar un procesamiento y transmisión de señales ópticas de alta velocidad, alta precisión y alta fiabilidad. En el contexto del enorme crecimiento de la construcción de infraestructuras de potencia de cálculo, los chips ópticos traerán consigo enormes oportunidades.
A medida que aumenta la velocidad de transmisión, también aumenta la proporción de chips ópticos en el coste de los módulos ópticos. Los chips ópticos representan el 30 % de los módulos ópticos por debajo de 10 Gbs, el 40 % de los módulos ópticos de 10 Gbs a 25 Gbs y el 40 % de los módulos ópticos por encima de 25 Gbs. Los chips Zhongguang representaban el 60 %.
Los módulos ópticos se utilizan actualmente principalmente en el campo de las comunicaciones ópticas. Según los datos de LightCounting, el mercado mundial de módulos ópticos crecerá un 14 % interanual en 2022. Se estima que la tasa compuesta de crecimiento anual (CAGR) del mercado mundial de módulos ópticos será del 10 % entre 2022 y 2027, y superará los 20 000 millones de dólares estadounidenses en 2027.
Análisis de la demanda de la cadena industrial de chips ópticos
El desarrollo de chips ópticos es inseparable de la comunicación óptica y los módulos ópticos, y la industria se encuentra en una fase de desarrollo acelerado. Los chips ópticos son una parte importante de las comunicaciones ópticas y los módulos ópticos, y con el desarrollo de la industria de las comunicaciones ópticas y los cambios en los escenarios de aplicación, tanto los módulos ópticos como los chips ópticos están acelerando su desarrollo. La industria de los módulos ópticos ha experimentado décadas de desarrollo, y la formación inicial del sistema industrial de la tecnología de integración fotónica ha impulsado el rápido desarrollo de la industria de los chips ópticos. Los chips ópticos desempeñan un papel importante en la reducción de la pérdida de fibra y otros aspectos, y tienen un gran potencial de desarrollo en áreas emergentes.
Y desde la perspectiva de toda la cadena industrial de las comunicaciones ópticas, los chips ópticos y eléctricos, los componentes estructurales, los materiales auxiliares, etc. constituyen la parte superior de la industria de las comunicaciones ópticas, la parte media de la industria de los dispositivos ópticos, incluidos los componentes ópticos y los módulos ópticos, y la parte inferior de la industria se ensambla en equipos de sistema y, en última instancia, se utiliza en el mercado de las telecomunicaciones, como el acceso por fibra óptica, las redes de comunicación móvil 4G/5G, la computación en la nube, los centros de datos de los proveedores de Internet y otros campos.
A medida que crece la demanda de comunicaciones ópticas, la demanda de chips de comunicaciones ópticas está creciendo rápidamente. El ICC estima que el mercado de chips ópticos de alta velocidad en China alcanzará los 3022 millones de dólares en 2023 y los 4340 millones de dólares en 2025. Mientras tanto, se espera que la cuota de China en el mercado mundial de chips de comunicaciones ópticas siga aumentando.
En la actualidad, una nueva ronda de revolución tecnológica representada por la IA está arrasando en todo el mundo, y ChatGPT, desarrollado por OpenAI, hace que la AIGC atraiga mucha atención. En el contexto de la acelerada comercialización de las aplicaciones de AIGC, el crecimiento masivo y la mejora de la infraestructura aritmética se convertirán en una tendencia inevitable. En el contexto de la construcción de la infraestructura aritmética, se espera que los chips ópticos den paso a una nueva ronda de oportunidades de crecimiento.
En cuanto a las aplicaciones específicas, los requisitos aritméticos de la AIGC dan lugar a la demanda de redes de alta velocidad y gran ancho de banda, y la evolución de los módulos ópticos hacia una mayor velocidad promoverá en gran medida la actualización tecnológica y la sustitución de los chips ópticos. Al mismo tiempo, la mejora de la arquitectura de red de los centros de datos ha provocado un aumento de las conexiones ópticas internas, y la arquitectura tradicional de tres capas de los centros de datos está pasando a una arquitectura de hoja y columna vertebral, lo que significa que los módulos ópticos necesitan velocidades de transmisión más rápidas y mayores tasas de cobertura, y se espera que los chips ópticos de gama media y alta se expandan rápidamente. La rápida implementación de LIDAR y otras aplicaciones también impulsará fuertemente la demanda de chips ópticos.
El panorama del desarrollo de los chips ópticos en China
Mientras que Europa y Estados Unidos lideran la tecnología de chips ópticos, las empresas chinas de chips ópticos también están ganando terreno, y el mercado mundial está dominado actualmente por Estados Unidos, China y Japón. Las empresas mundiales de chips ópticos han formado una industria de circuito cerrado y con altas barreras de entrada, y pueden completar de forma independiente procesos clave como el diseño de chips, la epitaxia de obleas y la producción en masa de chips ópticos con velocidades de 25G y superiores. Algunas empresas chinas de chips ópticos ya se encuentran a la vanguardia, y su competitividad se verá reforzada con la mejora de su capacidad técnica y su reconocimiento en el mercado.
Tras años de desarrollo, los distintos tipos de chips ópticos de China se están desarrollando rápidamente, y el patrón específico es el siguiente:
- Chips ópticos de 2,5G y menos: utilizados principalmente en el mercado de acceso por fibra, las empresas nacionales de chips ópticos han ocupado la mayor parte de la cuota de mercado.
- Chips ópticos de 10G: utilizados principalmente en el mercado de acceso de fibra, el mercado de redes de comunicación móvil y el mercado de centros de datos. Las empresas chinas de chips ópticos han dominado básicamente la tecnología central de los chips ópticos de 10G, pero algunos modelos siguen teniendo un alto umbral técnico y dependen de las importaciones.
- Chips ópticos de 25G y superiores: se utilizan principalmente en el mercado de las redes de comunicaciones móviles y el mercado de los centros de datos, incluidos los chips láser y detectores de 25G, 50G y 100G.
No obstante, la demanda de chips ópticos de alta velocidad en China es elevada. Las velocidades de 25G y superiores pertenecen a los chips ópticos de alta velocidad, actualmente dominados por empresas líderes en Europa, América y Japón. Oclaro, Avago, NeoPhotonics, etc. tienen capacidad para chips EML de 50G, los chips láser DFB y VCSEL han alcanzado la velocidad máxima de 50G para uso comercial a gran escala, Finisar, AAOI, Oclaro tienen capacidad para chips EML de 50G, AAOI y Oclaro tienen capacidad para chips DML PAM4 de 50G, y existe una brecha entre China y el nivel líder de las industrias extranjeras.
Lo bueno es que los principales escenarios de aplicación de los chips ópticos incluyen el acceso por fibra óptica, las redes de comunicación móvil 4G/5G, los centros de datos, etc., se encuentran en un periodo clave de actualización de la velocidad y cambio generacional, en un contexto de creciente demanda de transmisión de alta velocidad, la proporción de chips ópticos utilizados en los futuros módulos ópticos de 25G se ampliará gradualmente y, para 2025, el espacio de mercado global alcanzará los 4340 millones de dólares, con una tasa de crecimiento anual compuesta del 21,40 %. La tasa de crecimiento alcanzará el 21,40 %, y se espera que los fabricantes chinos del sector de los chips ópticos de alta velocidad alcancen la autosuficiencia gracias a su propia capacidad técnica.
Conclusión
El procesador de convolución óptica se centra en el campo de la computación óptica, una tecnología que utiliza dispositivos ópticos y fenómenos ópticos para el procesamiento de información y la computación. La óptica puede procesar múltiples piezas de información simultáneamente, lo que permite una computación paralela eficiente. Con el desarrollo de la inteligencia artificial, la tecnología de computación óptica puede aplicar la aceleración del entrenamiento de redes neuronales profundas, redes neuronales ópticas, puertas lógicas ópticas, etc.
Con el desarrollo continuo de la tecnología de inteligencia artificial, los requisitos de velocidad y eficiencia de computación son cada vez más exigentes. Los chips de computación óptica pueden proporcionar una solución de alta eficiencia y bajo consumo energético, y se espera que se conviertan en una parte importante de la futura industria de la inteligencia artificial.
