A computação óptica está se desenvolvendo rapidamente no campo da IA e tem amplas perspectivas de aplicação. Recentemente, a equipe de pesquisa de semicondutores da Academia Chinesa de Ciências desenvolveu um processador de convolução óptica ultra-altamente integrado. Isso marca um grande avanço no campo da computação óptica na China.
Há alguns dias, a Academia Chinesa de Ciências anunciou que a equipe do pesquisador Li Ming e do acadêmico Zhu Ninghua, do Grupo de Pesquisa em Optoeletrônica de Micro-ondas do Laboratório Estatal Chave de Optoeletrônica Integrada, Instituto de Semicondutores, Academia Chinesa de Ciências, desenvolveu um processador de convolução óptica ultra-altamente integrado. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista "Nature-Communications" sob o título "Unidade compacta de processamento de convolução óptica baseada em interferência multimodo".
Introdução ao Processador de Convolução Óptica
A rede neural convolucional é uma rede neural artificial inspirada no sistema nervoso visual biológico. Ela consiste em várias camadas convolucionais, de agrupamento e totalmente conectadas. Como componente central da rede neural convolucional, a camada convolucional extrai características de diferentes níveis e níveis de abstração por meio da percepção local e do compartilhamento de pesos dos dados de entrada. Em uma rede neural convolucional completa, o cálculo da operação de convolução geralmente representa mais de 80% do cálculo de toda a rede. Embora as redes neurais convolucionais tenham sido bem-sucedidas em áreas como reconhecimento de imagem, elas também enfrentam desafios. A rede neural convolucional tradicional é baseada principalmente na implementação de hardware elétrico da arquitetura von Neumann. A unidade de armazenamento e a unidade de processamento são separadas, resultando em uma contradição inerente entre a velocidade de troca de dados e o consumo de energia. Com o aumento do volume de dados e da complexidade da rede, é cada vez mais difícil para as soluções de computação eletrônica atender à demanda por hardware de computação de alta velocidade e baixo consumo de energia para o processamento em tempo real de dados massivos.
A computação óptica é uma tecnologia que usa ondas de luz como transportadoras para o processamento de informações. Ela tem as vantagens de grande largura de banda, baixa latência e baixo consumo de energia. O problema do transporte de dados no paradigma de computação Neumann. A computação óptica tem atraído muita atenção nos últimos anos, mas na maioria dos esquemas de computação óptica relatados, o número de elementos ópticos aumenta quadraticamente com o tamanho da matriz de computação, o que torna o dimensionamento dos chips de computação óptica um desafio.
Resultados da pesquisa do processador de convolução óptica
A unidade de processamento de convolução óptica proposta pela equipe de Ming Li-Ning-Hua Zhu constrói três kernels de convolução correlacionados de valor real 2×2 por meio de dois acopladores de interferência multimodo 4×4 e quatro desfasadores (Figura 1). A equipe combina de forma inovadora a técnica de multiplexação por divisão de comprimento de onda com a interferência multimodo da luz para caracterizar os elementos do kernel em termos de comprimento de onda. O mapeamento de entrada para saída realiza o processo de operação de multiplicação na convolução, a multiplexação por divisão de comprimento de onda e a conversão fotoelétrica realizam a operação de adição na convolução, e a reconfiguração do kernel de convolução relacionado é realizada ajustando os quatro desviadores de fase de sintonia térmica (Figura 2).
A unidade de processamento de convolução óptica proposta pela equipe verifica experimentalmente a capacidade de extração e classificação de características de imagens digitais manuscritas. Os resultados mostram que a precisão da extração de características da imagem atinge 5 bits; a precisão dos dígitos manuscritos do banco de dados de dígitos manuscritos MNIST é de 92,17% por dez classes. Em comparação com outros esquemas de computação óptica, este esquema tem as seguintes vantagens: (1) alta densidade aritmética: combinando a tecnologia de multiplexação por divisão de comprimento de onda óptico com a tecnologia de interferência multimodo óptico, quatro unidades de modulação são usadas para realizar três operações paralelas Kernel de valor real 2×2, e a densidade aritmética atinge 12,74-T MACs/s/mm2. (2) escalabilidade linear: o número de unidades de modulação cresce linearmente com o tamanho da matriz, o que tem um potencial muito forte para integração em grande escala.
Vantagens e aplicações dos chips ópticos
As empresas representadas pela Lightmatter e pela Lightelligence lançaram um novo tipo de chip óptico de silício para computação, que supera em muito o desempenho do atual chip de computação para IA. De acordo com os dados da Lightmatter, o chip Envise que lançaram funciona entre 1,5 e 10 vezes mais rápido do que o chip A100 da Nvidia.
O chip laser e o chip detector são coletivamente chamados de chip óptico. O chip óptico é o componente básico para realizar a conversão de sinal fotoelétrico, e seu desempenho determina a eficiência de transmissão do sistema de comunicação óptica. Em comparação com os componentes ópticos tradicionais, os chips ópticos têm as vantagens de tamanho pequeno, peso leve, baixo consumo de energia e alta integração, e podem realizar processamento e transmissão de sinais ópticos de alta velocidade, alta precisão e alta confiabilidade. No contexto do enorme crescimento na construção de infraestrutura de poder de computação, os chips ópticos trarão enormes oportunidades.
À medida que a taxa de transmissão aumenta, a proporção dos chips ópticos no custo dos módulos ópticos também aumenta. Os chips ópticos representam 30% dos módulos ópticos abaixo de 10 Gbs, 40% dos módulos ópticos de 10 Gbs a 25 Gbs e 40% dos módulos ópticos acima de 25 Gbs. Os chips Zhongguang representaram 60%.
Atualmente, os módulos ópticos são usados principalmente no campo das comunicações ópticas. De acordo com dados da LightCounting, o mercado global de módulos ópticos crescerá 14% em relação ao ano anterior em 2022. Estima-se que a CAGR do mercado global de módulos ópticos será de 10% de 2022 a 2027 e ultrapassará US$ 20 bilhões em 2027.
Análise da demanda da cadeia industrial de chips ópticos
O desenvolvimento de chips ópticos é indissociável da comunicação óptica e dos módulos ópticos, e a indústria encontra-se numa fase de desenvolvimento acelerado. Os chips ópticos são uma parte importante da comunicação óptica e dos módulos ópticos e, com o desenvolvimento da indústria de comunicação óptica e as mudanças nos cenários de aplicação, tanto os módulos ópticos quanto os chips ópticos estão acelerando seu desenvolvimento. A indústria de módulos ópticos passou por décadas de desenvolvimento, e a formação inicial do sistema industrial de tecnologia de integração fotônica impulsionou o rápido desenvolvimento da indústria de chips ópticos. Os chips ópticos desempenham um papel importante na redução da perda de fibra e outros aspectos, e têm grande potencial de desenvolvimento em áreas emergentes.
E da perspectiva de toda a cadeia da indústria de comunicação óptica, chips ópticos e chips elétricos, componentes estruturais, materiais auxiliares, etc. constituem o upstream da indústria de comunicação óptica, o midstream da indústria para dispositivos ópticos, incluindo componentes ópticos e módulos ópticos, o downstream da indústria montado em equipamentos de sistema e, finalmente, usado no mercado de telecomunicações, como acesso por fibra óptica, redes de comunicação móvel 4G/5G, computação em nuvem, centros de dados de fornecedores de Internet e outros campos.
À medida que a demanda por comunicação óptica cresce, a demanda por chips de comunicação óptica está crescendo rapidamente. A ICC estima que o mercado de chips ópticos de alta velocidade da China deve atingir US$ 3,022 bilhões em 2023 e US$ 4,34 bilhões em 2025. Enquanto isso, a participação da China no mercado global de chips de comunicação óptica deve continuar a aumentar.
Atualmente, uma nova revolução tecnológica representada pela IA está a varrer o mundo, e o ChatGPT desenvolvido pela OpenAI faz com que a AIGC atraia muita atenção. No contexto da comercialização acelerada das aplicações AIGC, o crescimento massivo e a atualização da infraestrutura aritmética tornar-se-ão uma tendência inevitável. No contexto da construção da infraestrutura aritmética, espera-se que o chip óptico dê início a uma nova ronda de oportunidades de crescimento.
Em termos de aplicações específicas, os requisitos aritméticos da AIGC aumentam a demanda por redes de alta velocidade e grande largura de banda, e a evolução dos módulos ópticos para velocidades mais altas promoverá fortemente a atualização tecnológica e a substituição dos chips ópticos. Ao mesmo tempo, a atualização da arquitetura de rede dos centros de dados levou a um aumento das ligações óticas internas, e a arquitetura tradicional de três camadas dos centros de dados está a transitar para uma arquitetura leaf spine, o que significa que os módulos óticos necessitam de taxas de transmissão mais rápidas e taxas de cobertura mais elevadas, e espera-se que os chips óticos de gama média a alta se expandam rapidamente. A rápida implementação do LIDAR e de outras aplicações também impulsionará fortemente a procura por chips óticos.
O panorama do desenvolvimento dos chips ópticos na China
Embora a Europa e os Estados Unidos sejam líderes em tecnologia de chips ópticos, as empresas chinesas de chips ópticos também estão ganhando terreno, e o mercado global é atualmente dominado pelos Estados Unidos, China e Japão. As empresas globais de chips ópticos formaram uma indústria de ciclo fechado e altas barreiras industriais, e podem completar de forma independente processos-chave, como design de chips, epitaxia de wafer e produção em massa de chips ópticos com taxas de 25G e superiores. Algumas empresas chinesas de chips ópticos já têm um nível de liderança, e sua competitividade será ainda mais reforçada com a melhoria da capacidade técnica e do reconhecimento do mercado.
Após anos de desenvolvimento, os vários tipos de chips ópticos da China estão se desenvolvendo rapidamente, e o padrão específico é o seguinte:
- Chips ópticos de 2,5G e abaixo: usados principalmente no mercado de acesso de fibra, as empresas domésticas de chips ópticos ocuparam a maior parte do mercado.
- Chips ópticos de 10G: usados principalmente no mercado de acesso à fibra, no mercado de redes de comunicação móvel e no mercado de centros de dados. As empresas chinesas de chips ópticos basicamente dominam a tecnologia central do chip óptico de 10G, mas alguns modelos ainda têm um alto limiar técnico e dependem de importações.
- Chips ópticos de 25G e acima: usados principalmente no mercado de redes de comunicação móvel e no mercado de centros de dados, incluindo chips laser e detectores de 25G, 50G e 100G.
No entanto, a demanda da China por chips ópticos de alta velocidade é alta. As taxas de 25G e acima pertencem aos chips ópticos de alta velocidade, atualmente dominados por empresas líderes na Europa, América e Japão. A Oclaro, a Avago, a NeoPhotonics, etc. têm capacidade para chips EML de 50G, os chips laser DFB e VCSEL atingiram a taxa mais alta de 50G para uso comercial em grande escala, a Finisar, a AAOI e a Oclaro têm capacidade para chips EML de 50G, AAOI e Oclaro têm capacidade para chips DML PAM4 de 50G, e existe uma lacuna entre a China e o nível líder das indústrias estrangeiras.
O lado positivo é que os principais cenários de aplicação dos chips ópticos incluem acesso por fibra óptica, 4G/5G, centros de dados, etc., estão no período-chave de atualização de taxa e mudança de geração, no contexto da crescente demanda por transmissão de alta velocidade, a proporção de chips ópticos usados nos futuros módulos ópticos de taxa 25G se expandirá gradualmente e, até 2025, o espaço geral do mercado atingirá US$ 4,340 bilhões, com uma taxa de crescimento anual composta de 21,40%. A taxa de crescimento chegará a 21,40%, e espera-se que os fabricantes chineses na área de chips ópticos de alta velocidade alcancem a autossuficiência por meio de sua própria força técnica.
Conclusão
O processador de convolução óptica concentra-se no campo da computação óptica, que é uma tecnologia que utiliza dispositivos ópticos e fenómenos ópticos para o processamento de informação e computação. A óptica pode processar várias informações simultaneamente, permitindo assim uma computação paralela eficiente. Com o desenvolvimento da inteligência artificial, a tecnologia de computação óptica pode aplicar a aceleração do treino de redes neurais profundas, redes neurais ópticas, portas lógicas ópticas, etc.
Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de inteligência artificial, os requisitos de velocidade e eficiência de computação estão ficando cada vez mais altos. Os chips de computação óptica podem fornecer uma solução com alta eficiência e baixo consumo de energia, e devem se tornar uma parte importante da futura indústria de inteligência artificial.
