L’informatica ottica si sta sviluppando rapidamente nel campo dell’IA e ha ampie prospettive di applicazione. Recentemente, il team di ricerca sui semiconduttori dell’Accademia cinese delle scienze ha sviluppato un processore di convoluzione ottica ultra-altamente integrato. Questo segna una svolta importante nel campo dell’informatica ottica in Cina.
Pochi giorni fa, l’Accademia cinese delle scienze ha annunciato che il team del ricercatore Li Ming e dell’accademico Zhu Ninghua del Gruppo di ricerca sull’optoelettronica a microonde del Laboratorio chiave statale di optoelettronica integrata, Istituto dei semiconduttori, Accademia cinese delle scienze, ha sviluppato un processore di convoluzione ottica ultra-altamente integrato. I relativi risultati della ricerca sono stati pubblicati su “Nature-Communications” con il titolo “Compatta unità di elaborazione di convoluzione ottica basata su interferenza multimodale”.
Introduzione al processore di convoluzione ottica
La rete neurale convoluzionale è una rete neurale artificiale ispirata al sistema nervoso visivo biologico. È composta da più livelli di strati convoluzionali, di pooling e completamente connessi. Come componente principale della rete neurale convoluzionale, lo strato convoluzionale estrae caratteristiche di diversi livelli e livelli di astrazione attraverso la percezione locale e la condivisione dei pesi dei dati di input. In una rete neurale convoluzionale completa, il calcolo dell’operazione di convoluzione rappresenta in genere più dell’80% del calcolo dell’intera rete. Sebbene le reti neurali convoluzionali abbiano avuto successo in aree come il riconoscimento delle immagini, devono anche affrontare delle sfide. La tradizionale rete neurale convoluzionale si basa principalmente sull’implementazione hardware elettrica dell’architettura di von Neumann. L’unità di archiviazione e l’unità di elaborazione sono separate, con conseguente contraddizione intrinseca tra la velocità di scambio dati e il consumo di energia. Con l’aumento del volume dei dati e della complessità della rete, diventa sempre più difficile per le soluzioni di calcolo elettronico soddisfare la domanda di hardware di calcolo ad alta velocità e basso consumo per l’elaborazione in tempo reale di enormi quantità di dati.
L’informatica ottica è una tecnologia che utilizza le onde luminose come vettore per l’elaborazione delle informazioni. Ha i vantaggi di una grande larghezza di banda, bassa latenza e basso consumo energetico. Il problema del trasporto di marea dei dati nel paradigma di calcolo di Neumann. L’informatica ottica ha attirato molta attenzione negli ultimi anni, ma nella maggior parte degli schemi di calcolo ottico segnalati, il numero di elementi ottici aumenta quadraticamente con la dimensione della matrice di calcolo, il che rende difficile la scalabilità dei chip di calcolo ottico.
Risultati della ricerca del processore di convoluzione ottica
L’unità di elaborazione di convoluzione ottica proposta dal team di Ming Li-Ning-Hua Zhu costruisce tre kernel di convoluzione reali correlati 2×2 attraverso due accoppiatori di interferenza multimodale 4×4 e quattro sfasatori (Figura 1). Il team combina in modo innovativo la tecnica di multiplexing a divisione di lunghezza d’onda con l’interferenza multimodale della luce per caratterizzare gli elementi del kernel in termini di lunghezza d’onda, la mappatura input-output realizza il processo di operazione di moltiplicazione nella convoluzione, il multiplexing a divisione di lunghezza d’onda e la conversione fotoelettrica realizzano l’operazione di addizione nella convoluzione e la riconfigurazione del kernel correlato viene realizzata regolando i quattro sfasatori di regolazione termica (Figura 2).
L’unità di elaborazione a convoluzione ottica proposta dal team verifica sperimentalmente la capacità di estrazione delle caratteristiche e la classificazione di immagini digitali scritte a mano. I risultati mostrano che l’accuratezza dell’estrazione delle caratteristiche dell’immagine raggiunge i 5 bit; l’accuratezza delle cifre scritte a mano dal database di cifre scritte a mano MNIST è del 92,17% per dieci classi. Rispetto ad altri schemi di calcolo ottico, questo schema presenta i seguenti vantaggi: (1) elevata densità aritmetica: combinando la tecnologia di multiplexing a divisione di lunghezza d’onda ottica con la tecnologia di interferenza multimodale ottica, quattro unità di modulazione vengono utilizzate per realizzare tre operazioni parallele del kernel 2×2 a valori reali e la densità aritmetica raggiunge i 12,74 T MACs/s/mm2. (2) scalabilità lineare: il numero di unità di modulazione cresce linearmente con la dimensione della matrice, il che ha un forte potenziale per l’integrazione su larga scala.
Vantaggi e applicazioni dei chip ottici
Società rappresentate da Lightmatter e Lightelligence hanno lanciato un nuovo tipo di chip di calcolo ottico al silicio, che supera di gran lunga le prestazioni dell’attuale chip di calcolo AI. Secondo i dati di Lightmatter, il chip Envise che hanno lanciato funziona da 1,5 a 10 volte più velocemente del chip A100 di Nvidia. volte.
Il chip laser e il chip del rilevatore sono collettivamente chiamati chip ottico. Il chip ottico è il componente di base per realizzare la conversione del segnale fotoelettrico e le sue prestazioni determinano l’efficienza di trasmissione del sistema di comunicazione ottica. Rispetto ai componenti ottici tradizionali, i chip ottici presentano i vantaggi di piccole dimensioni, leggerezza, basso consumo energetico e alta integrazione e possono realizzare l’elaborazione e la trasmissione di segnali ottici ad alta velocità, alta precisione e alta affidabilità. Nel contesto della crescita massiccia della costruzione di infrastrutture di potenza di calcolo, i chip ottici apriranno enormi opportunità.
Con l’aumento della velocità di trasmissione, aumenta anche la percentuale di chip ottici nel costo dei moduli ottici. I chip ottici rappresentano il 30% dei moduli ottici inferiori a 10 Gbs, il 40% dei moduli ottici da 10 Gbs a 25 Gbs e il 40% dei moduli ottici superiori a 25 Gbs, i chip Zhongguang rappresentano il 60%.
I moduli ottici sono attualmente utilizzati principalmente nel campo delle comunicazioni ottiche. Secondo i dati di LightCounting, il mercato globale dei moduli ottici crescerà del 14% su base annua nel 2022. Si stima che il CAGR del mercato globale dei moduli ottici sarà del 10% dal 2022 al 2027 e supererà i 20 miliardi di dollari nel 2027.
Analisi della domanda della catena industriale dei chip ottici
Lo sviluppo di chip ottici è inseparabile dalla comunicazione ottica e dai moduli ottici, e il settore è in una fase di sviluppo accelerato. I chip ottici sono una parte importante della comunicazione ottica e dei moduli ottici e, con lo sviluppo del settore della comunicazione ottica e i cambiamenti negli scenari applicativi, sia i moduli ottici che i chip ottici stanno accelerando il loro sviluppo. L’industria dei moduli ottici ha subito decenni di sviluppo e la formazione iniziale del sistema industriale della tecnologia di integrazione fotonica ha guidato il rapido sviluppo dell’industria dei chip ottici. I chip ottici svolgono un ruolo importante nella riduzione della perdita di fibra e in altri aspetti e hanno un grande potenziale di sviluppo in aree emergenti.
E dal punto di vista dell’intera catena industriale della comunicazione ottica, i chip ottici e i chip elettrici, i componenti strutturali, i materiali ausiliari, ecc. costituiscono l’upstream dell’industria della comunicazione ottica, il midstream dell’industria per i dispositivi ottici, inclusi i componenti ottici e i moduli ottici, il downstream dell’industria assemblato in apparecchiature di sistema e, in definitiva, utilizzato nel mercato delle telecomunicazioni, come l’accesso in fibra ottica, le reti di comunicazione mobile 4G/5G, il cloud computing, i data center dei fornitori di Internet e altri campi.
Con la crescente domanda di comunicazione ottica, la domanda di chip di comunicazione ottica sta crescendo rapidamente. ICC stima che lo spazio di mercato cinese per i chip ottici ad alta velocità raggiungerà i 3,022 miliardi di dollari nel 2023 e i 4,34 miliardi di dollari nel 2025. Nel frattempo, si prevede che la quota della Cina nel mercato globale dei chip di comunicazione ottica continuerà a crescere.
Attualmente, una nuova ondata di rivoluzione tecnologica rappresentata dall’IA sta spazzando il mondo e ChatGPT sviluppato da OpenAI sta attirando molta attenzione sull’AIGC. Nel contesto dell’accelerazione della commercializzazione delle applicazioni AIGC, la crescita massiccia e l’aggiornamento dell’infrastruttura di calcolo diventeranno una tendenza inevitabile. Sullo sfondo della costruzione dell’infrastruttura di calcolo, si prevede che i chip ottici accoglieranno una nuova ondata di opportunità di crescita.
In termini di applicazioni specifiche, i requisiti di calcolo dell’AIGC generano la domanda di reti ad alta velocità e ad ampia larghezza di banda e l’evoluzione dei moduli ottici a velocità più elevate promuoverà fortemente l’aggiornamento tecnologico e la sostituzione dei chip ottici. Allo stesso tempo, l’aggiornamento dell’architettura di rete dei data center ha portato a un aumento delle connessioni ottiche interne e la tradizionale architettura a tre livelli dei data center sta passando a un’architettura leaf-spine, il che significa che i moduli ottici necessitano di velocità di trasmissione più elevate e tassi di copertura più elevati e i chip ottici di fascia media e alta dovrebbero espandersi rapidamente. La rapida implementazione di LIDAR e altre applicazioni darà anche un forte impulso alla domanda di chip ottici.
Il panorama dello sviluppo dei chip ottici in Cina
Mentre l’Europa e gli Stati Uniti sono leader nella tecnologia dei chip ottici, anche le aziende cinesi di chip ottici stanno recuperando terreno e il mercato globale è attualmente dominato da Stati Uniti, Cina e Giappone. Le aziende globali di chip ottici hanno formato un’industria a ciclo chiuso e barriere industriali elevate e possono completare in modo indipendente processi chiave come la progettazione di chip, l’epitassia di wafer e la produzione di massa di chip ottici con velocità di 25G o superiore. Alcune aziende cinesi di chip ottici hanno già un livello di leadership e la loro competitività sarà ulteriormente rafforzata con il miglioramento delle capacità tecniche e del riconoscimento del mercato.
Dopo anni di sviluppo, i vari tipi di chip ottici cinesi si stanno sviluppando rapidamente e lo schema specifico è il seguente:
- Chip ottici da 2,5G e inferiori: utilizzati principalmente nel mercato dell’accesso in fibra, le aziende cinesi di chip ottici hanno occupato la quota di mercato principale.
- Chip ottici da 10G: utilizzati principalmente nel mercato dell’accesso in fibra, nel mercato delle reti di comunicazione mobile e nel mercato dei data center. Le aziende cinesi di chip ottici hanno fondamentalmente padroneggiato la tecnologia principale dei chip ottici da 10G, ma alcuni modelli hanno ancora un’elevata soglia tecnica e dipendono dalle importazioni.
- Chip ottici da 25G e superiori: utilizzati principalmente nel mercato delle reti di comunicazione mobile e nel mercato dei data center, inclusi chip laser e rivelatori da 25G, 50G e 100G.
Tuttavia, la domanda cinese di chip ottici ad alta velocità è elevata. Le velocità di 25G e superiori appartengono ai chip ottici ad alta velocità, attualmente dominati dalle aziende leader in Europa, America e Giappone. Oclaro, Avago, NeoPhotonics, ecc. hanno capacità di chip EML da 50G, i chip laser DFB e VCSEL hanno raggiunto la velocità più alta di 50G per l’uso commerciale su larga scala, Finisar, AAOI, Oclaro hanno capacità di chip EML da 50G, AAOI e Oclaro hanno la capacità di chip DML PAM4 da 50G e c’è un divario tra la Cina e il livello leader delle industrie estere.
La buona notizia è che i principali scenari applicativi dei chip ottici includono l’accesso in fibra ottica, le reti di comunicazione mobile 4G/5G, i data center, ecc., che si trovano nel periodo di opportunità per l’aggiornamento della velocità e il cambiamento generazionale, nel contesto della crescente domanda di trasmissione ad alta velocità, la proporzione di chip ottici utilizzati nei futuri moduli ottici da 25G si espanderà gradualmente e entro il 2025, lo spazio di mercato complessivo raggiungerà i 4,340 miliardi di dollari, con un tasso di crescita annuale composto del 21,40%. Il tasso di crescita raggiungerà il 21,40% e si prevede che i produttori cinesi nel campo dei chip ottici ad alta velocità raggiungeranno l’autosufficienza attraverso la propria forza tecnica.
Conclusione
Il processore di convoluzione ottica si concentra sul campo dell’informatica ottica, che è una tecnologia che utilizza dispositivi ottici e fenomeni ottici per l’elaborazione delle informazioni e il calcolo. L’ottica può elaborare più informazioni contemporaneamente, consentendo così un efficiente calcolo parallelo. Con lo sviluppo dell’intelligenza artificiale, la tecnologia di calcolo ottico può applicare l’accelerazione dell’addestramento di reti neurali profonde, reti neurali ottiche, porte logiche ottiche, ecc.
Con il continuo sviluppo della tecnologia dell’intelligenza artificiale, i requisiti per la velocità e l’efficienza del calcolo sono sempre più elevati. I chip di calcolo ottico possono fornire una soluzione ad alta efficienza e basso consumo energetico e dovrebbero diventare una parte importante della futura industria dell’intelligenza artificiale.
