據光本位科技介紹，矩陣規模（算力密度）和單節點光辨識度（算力精度）是衡量光計算芯片性能的關鍵指標，業內公認的達到商用標準的矩陣規模是128x128，2021年全球范圍內有兩家企業完成了64x64的光計算芯片流片，此后三年內這個瓶頸一直沒有被突破。
光子計算芯片的技術突破
光本位成立于2022年，公司主要專注于研發和生產光計算芯片和光計算板卡，用于對AI算力需求較大的場景，如大模型推理及訓練、自動駕駛、智慧城市、量化金融、AI安防等。
光本位稱，這顆芯片采用PCIe接口或其他通用標準進行數據交互，可以與數據中心兼容，未來光計算芯片的算力密度仍有百倍提升空間，比電芯片更適合處理大模型應用，達到商用標準可以說是中國AI芯片“換道超車”的關鍵一步。
光計算芯片在算力、數據傳輸上具有優勢，但要實現規模化商用，還需要解決非線性計算、存算一體等難題，構建光電融合生態是一條必經之路。
光本位科技基于PCM相變材料實現了存算一體的存內計算，存儲單元與計算單元完全融合，目前已迭代出以光計算芯片為核心的電芯片設計能力，并與國內芯片封裝公司建立深度戰略合作，共同開發先進光電合封能力。
同時，光本位科技正在進行矩陣規模128×128光計算板卡調試，預計將于2025年推出商業化光計算板卡產品，用更高的能效比、更大的算力賦能大模型、AI算力硬件、智算中心等產業。而且，公司還即將完成更大矩陣規模的光計算芯片研發。
光子計算最初起源于20世紀早期，那時候，科學家們就開始嘗試使用光子進行信息傳輸和處理，但由于當時技術限制和理論困難，光子計算的概念一度被擱置。
到20世紀后期，隨著光子學、量子力學和計算科學的不斷進步，光子計算重新受到研究者的關注。1970年代，美國物理學家Richard Feynman首次提出了光子計算的概念，指出傳統計算模式所面臨的瓶頸可以通過利用光子的特性來克服。
進入21世紀，光子計算芯片技術得到快速發展。隨著材料科學、納米技術和集成光學的進步，光子計算芯片的性能不斷提升，功耗不斷降低。開始在一些特定領域展現出其獨特的優勢，如高速數據處理、低功耗計算和復雜場景下的圖像處理等。
光子計算芯片相比電子芯片的優勢
光子計算芯片的工作原理是基于光子學原理，即利用光的波動性和粒子性來傳輸和處理信息。其核心在于光波導，這是一種能夠利用光的全反射現象將光線引導在芯片內部傳輸的結構。光在光波導中的傳輸速度快、衰減小、抗干擾性強，從而實現了高速、遠距離的信息傳輸。
相比于傳統電子芯片，光子計算芯片具有多方面的優勢。速度方面，光信號以光速傳輸，使得光子計算芯片在數據處理速度上遠超傳統電子芯片。具體來說，光子芯片的計算速度比傳統電子處理器快約1000倍，這一速度優勢在處理大規模數據和復雜計算任務時尤為明顯。
光子芯片在數據傳輸和處理過程中具有極低的延遲，這對于需要高速響應的應用場景至關重要。例如，在芯片尺寸的厘米尺度上，光子芯片的延遲時間是納秒級，且這一延遲與矩陣的尺寸幾乎無關，在尺寸較大的情況下，光子矩陣計算的延遲優勢更加明顯。
能耗方面，光子芯片在能耗方面具有顯著優勢，其功耗遠低于傳統電子芯片。光計算功耗有望低至每比特10—18焦耳(10—18J/bit)，相同功耗下，光子器件比電子器件快數百倍。這種低功耗特性使得光子芯片在能源效率和散熱方面表現出色，有助于降低整體系統的運行成本。
此外，光子芯片具有極高的帶寬和通信容量，能夠滿足未來高帶寬、低延遲的通信需求。例如，集成鈮酸鋰微波光子芯片具有67吉赫茲的超寬處理帶寬，能夠支持高速數據傳輸和復雜信號處理。
光子芯片還具有很強的抗干擾能力，光波的電磁特性比電流的電磁特性弱得多，因此光子芯片具有更強的抗電磁干擾能力和更高的信噪比。這一特性使得光子芯片在復雜電磁環境下能夠更穩定地進行數據傳輸和處理，保證信息傳輸的可靠性和安全性。
而且，光子芯片計算精度更高、并行能力更強、制造成本相對較低。在制造方面，光子芯片不會像電子芯片那樣必須使用極高端的光刻機等設備，使用我國已經相對成熟的原材料和設備就能生產，這有助于降低制造成本。
憑借諸多優勢，光子計算芯片被認為是未來計算技術的重要發展方向。除了光本位科技，目前也有一些公司在這方面持續研發，如Lightelligence、Lightmatter。
Lightelligence（曦智科技）是一家由麻省理工學院（MIT）團隊背景的光子AI芯片公司，成立以來致力于將光子計算技術應用于AI領域。Lightelligence成立后不久即宣布成功開發出世界第一款光子芯片原型板卡，驗證了團隊在2017年發表在Nature Photonics期刊上的開創性想法。
該原型芯片在光學裝置上集成了超過12000個電路，運行頻率為1GHz，能夠高效運行Google Tensorflow自帶的卷積神經網絡模型來處理MNIST數據集，準確率接近電子芯片水平，且完成矩陣乘法的時間僅為電子芯片的1/100以內。
2021年12月15日，Lightelligence發布了其最新高性能光子計算處理器PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子計算引擎）。PACE包含64x64的光學矩陣，單個光子芯片中集成超過10,000個光子器件，運行1GHz系統時鐘。在特定循環神經網絡中，其速度可達目前高端GPU的數百倍。
PACE成功驗證了光子計算的優越性，尤其在處理Ising模型等復雜數學問題時，性能遠超傳統GPU，為AI、5G、物聯網等新興領域提供了強大的算力支持。
Lightmatter成立于2017年9月8日，總部位于美國馬薩諸塞州波士頓，并在硅谷設有分部。公司定位是光子計算公司，致力于通過計算加速人類進步。
在2020年的芯片頂會Hot Chips上，Lightmatter展示了其用于AI推理加速的測試芯片Mars，該芯片利用硅光電學和MEMS技術，通過由毫瓦級激光光源，為用光執行矩陣向量乘法提供動力。相較傳統電子芯片，其計算速度提升數個量級。
寫在最后
當然，光子計算芯片在研發過程中仍面臨許多技術難題，如如何精準控制光子的運動、如何提高光子的計算效率、如何降低光子的損耗等。不過可以看到，面臨的難題正在逐步突破。相信隨著技術的不斷進步，光子計算芯片有望成為未來高速、大數據量、人工智能計算處理等最具前景的方案之一。
光子計算芯片最新突破，峰值算力超1000tops，比電芯片更適合大模型
