聚焦光电技术提高通信效率，9月CIOE信息通信展邀您参观！

CIOE信息通信展 将于2024年9月11-13日在深圳国际会展中心 举办，展会通过合理布局展现信息通信产业链，打造通信器件模块馆、综合布线馆、半导体及光通信智能装备馆 等专馆。全方位服务于电信、数据中心及新兴市场，是设备商、工程商、运营商、互联网以及下游应用等企业寻找上下游产品及创新技术、商贸洽谈、交流采购的一站式服务平台。即刻报名参观：注册页面-中国国际光电博览会

知名通信企业共聚一堂，展示通信产业完整生态链

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展会同期举办多场通信产业相关高峰论坛，聚焦通信热点议题

如今产业界积极推动全光运力网络与各行各业数字化、智能化需求的深度融合，探索全光运力在等多个业务场景领域的创新应用模式和策略。新型工业化所需的5G、大数据、AI均基于高速光通信底座，未来6G、空天地一体化通信、光计算、量子计算、量子通信、车载光通信更是以光电信息技术为核心。基于此背景，CIOE携同光通信产业链举办2024信息通信产业发展论坛 聚焦算力时代新型光传送、接入网从千兆迈向万兆、智算中心光技术创新、芯片集成制造工艺解决方案 等热点话题讨论。光+应用论坛探讨通信技术的应用落地与解决方案，涵盖车载光通信、无线通信 等热门话题，还有和国际权威机构Yole Group合作举办围绕光电化合物半导体 议题探讨的会议，邀请世界各地的专家、企业家和学者来探讨未来技术及应用、发展方向和市场预测的趋势。即刻报名听会注册页面-中国国际光电博览会

部分议题包括（会议名称以现场为准）：

算力时代新型光传送技术发展论坛“光电芯未来”光电产业高峰论坛万兆光接入技术趋势及应用论坛智算中心光技术创新发展论坛光电子集成芯片设计及制造、封装技术论坛车载光通信技术创新应用论坛第二届无线通信技术与产业创新发展研讨会CIOE & Yole Group 光电化合物半导体论坛

9 月11-13日深圳国际会展中心诚您与光电行业上下游共聚一堂，进行商贸洽谈，掌握行业最新动向、洞察市场发展趋势、达成商业合作。现在点击此处登记注册页面-中国国际光电博览会参观CIOE中国光博会，可以免排队快速入场，还能快人一步了解展会亮点、便捷交通、酒店住宿等信息。

CIOE中国国际光电博览会

作为全球极具规模及影响力的光电产业综合性展会，第25届中国国际光电博览会将于2024年9月11-13日在深圳国际会展中心(宝安)举办，同期七展覆盖信息通信、精密光学&摄像头、激光及智能制造、红外、紫外、智能传感、新型显示等光电版块，并着力为光电行业和下游九大应用领域之间打造集商贸洽谈、国际交流及品牌展示为一体的专业展示平台。点击此处了解更多：展会介绍-第25届国际光电博览会(CIOE2024)

光子计算领域双雄出现！一篇顶刊论文，两位MIT天才的故事

刚刚过去的 8 月，由 IEEE 主办的第 32 届 Hot Chips 成功落幕，光计算创业公司 Lightmatter 展示的 AI 推理专用光子芯片——Mars，作为压轴大戏，给观众留下了极为深刻的印象。

Lightmatter 表示，在相同的芯片面积下，光子芯片的时延是电子芯片的千分之一，能耗是电子芯片的千分之一，工作频率是后者的十倍。

图 | Lightmatter 公开资料（DeepTech 整理）

并且，Lightmatter 对媒体表示，将于明年秋季推出商用产品。

显然，这次不是又一个 “狼来了” 的故事，光子芯片是真的来了。

那么，光子芯片是什么？光子芯片能做什么？是否可以用在我们的笔记本电脑上？为了搞清楚这些问题，DeepTech 联系到与 Lightmatter 共同领跑这一领域的曦智科技（Lightelligence）创始人兼 CEO 沈亦晨。

有趣的是，这两家公司均于 2017 年 9 月成立，并且它们的 CEO 都出身麻省理工学院，更为巧合的是，2017 年他们分别以一作、二作的身份，在顶级期刊 Nature Photonics 发表了将光计算应用于人工智能领域的关键论文。

诸多共同点的背后，隐藏着怎样的故事？

光子芯片到底有多快？

有媒体称 “光子芯片较电子芯片快 1000 倍”，“我个人认为这个说法并不准确。” 沈亦晨说。

首先，达成 1000 倍的约束条件很重要。如果仅就光子的纯计算部分，从光已经转换成光信号起，到完成计算止，这个过程所花的时间，说光子芯片较电子芯片快 1000 倍，倒不为过。

但如果计算整个光子计算机系统所需要的时间，那么就要加上光电转换、数模转换以及内存和数字电路所花费的时间，肯定是达不到 1000 倍的。

其次，在不同的应用、算法环境下，所得到的结果是不同的。未来随着越来越多的光部件渗入到电子计算机之中，光子计算机整体的速率会超过电子计算机越来越多。

根据沈亦晨的判断，“在短期之内，光子计算机与电子计算机基于通用 Benchmark，在相同的节点之下，前者领先后者5 到 10 倍是非常合理的数字。对于特定的问题，比如退火算法等，现有的硬件条件已经可以做到百倍速率的提升。1000 倍可能是光子计算机提升的上限，需要把光的存储之类问题全部解决才可能达到。”

但毫无疑问，光子芯片将在能耗、通量和延时，三个层面超越以 Intel 为代表的传统电子芯片，沈亦晨笃定地说。

光子芯片如何计算？

Lightmatter 光子芯片的基础计算单元被称作 MZI。

这是一种光干涉仪，可以用来观测从单独光源发射的光束分裂成两道准直光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相移变化，MZI 为英文缩写。

图 | 马赫－曾德尔干涉仪时常用于空气动力学、等离子物理学与传热学领域，可以测量气体的压强、密度和温度的变化。在本图里，设想分析一支蜡烛的火焰。两种输出影像都可以被观测到，一个显示出白色火焰，另一个显示出黑色火焰（来源：维基百科）

这个构想最早产生于 1891 年，一百多年后的今天，它已经变成了下图的样子。

图 | MZI 实物图（来源：曦智科技）

Lightmatter 的芯片实际上由两个垂直堆叠的芯片组成。顶部是一个 50 平方毫米的 12nm 工艺 ASIC，用于存储内存并协调控制位于下面的 150 平方毫米的 90nm 工艺光计算芯片，布线距离不超过 1 毫米。两个核芯均采用格芯代工，使用标准 CMOS 工艺制造。

图 | Lightmatter Mars 芯片结构图（来源：Lightmatter）

本次演示的 Mars 光计算芯片的工作频率为 1 GHz，由 64x64 矩阵 64 个维度向量组成光矩阵乘法器，数据在不到 200 皮秒的时间内传播到整个芯片，整个核心由 50 毫瓦的激光发射器驱动。

在一次计算过程中，DAC（数字模拟转换器）接收数字输入信号，将其转换为模拟电压，并使用该电压来驱动激光器（该技术已在光纤发送器中广泛使用）。

来自该激光器的光进入计算阵列，这里的基础计算单元就是 MZI。进入 MZI 的相干光分为两部分，每半部分的相位调整不同。将具有不同相位的信号组合会导致相长或相消干涉，从而有效地调节通过 MZI 的光的亮度，该调节可被视为乘法运算。

在波导管（可理解为承载光的“电线”）相遇的地方，信号被有效地加在一起。这是光 MAC（Multiply-accumulate 乘积累加）的基础，最终计算阵列输出的光到达光电二极管，完成相应的计算。

图 | Lightmatter Mars 光学计算过程（来源：Lightmatter）

Lightmatter 的研发人员说道，这些元器件的损耗极低，静态功耗几乎为零，且几乎不会产生 “电子泄漏” 现象。

两条 MZI 路径

曦智科技的基础计算单元，也使用 MZI，但是在 MZI 的结构及 MZI 阵列的架构上，都采用了与 Lightmatter 不同的方式。

MZI 的计算原理可以通俗地解释为，它有两条“手臂”，通过某种方式改变了两条手臂的光程，以此来改变光通过两条手臂之后相互干涉的结果。

图 | MZI 矩阵乘法原理图（来源：Lightmatter）

Lightmatter 采用的是名为 NOEMS（Nano Optical Electro Mechanical System）的方案，这是一种机械式元件，原理是通过施加电压，让两条手臂在静电的作用下产生机械形变，以此改变手臂的物理长度。

曦智使用的是电驱动式的 MZI，具体做法是通过在两条手臂之中加入电子，在改变了电子密度的同时，也改变了光的介电常数，以此来改变光程。

而电子的移动速度，是远远快于两条手臂的物理形变速度的，所以曦智的调制频率（reprogram）可以达到几十个 GHz，而 Lightmatter 只能到 100MHz，前者高出两个数量级。

“当然，曦智的方式也并非完美，但我们在我们认为重要的部分做了取舍。”沈亦晨说。

“我不对 Lightmatter 的方案进行好坏的评价，但我个人认为他们的方案是一个非常大胆的尝试。当看到他们在网上公开的技术架构之后，我们的第一反应是对工艺和封装的改动太大了，这条路可能会比较坎坷”。他补充道。

根据 Lightmatter 曝光给外界的 PPT 来看，他们的光子芯片架构是将所有的 MZI 连接到了一起，有点像三国赤壁之战中曹操的铁索连舟。

图 | Lightmatter 的光子芯片架构（来源：Lightmatter）

“这样的结构之下，一旦单个 MZI 节点出现问题，可能整个系统都会受到影响。而我们的架构中，因为实现光计算的原理不同，所以并不需要将所有的 MZI 直接相连，因此具有更强的容错性。”

“我可以理解 Lightmatter 为什么选择这样一种方案，因为以他们光计算的原理、架构来说，机械式很可能是一个最优的选择。但这样的方案接下来要面临的就是产业成熟度，以及对于环境的敏感性等这些在产品和工程上的挑战。”

曦智的时间表

去年 2 月，曦智已经做出了第一款产品雏形，DeepTech 此前也有报道《用光挑战 “世界 7 大数学难题” 之首，麻省理工团队再证光学计算潜力》。

图 | 曦智科技光子芯片原型版卡

“经过一年多的研发改良，我们手上已经有了较之前领先得多的芯片。”沈亦晨自信地说。

在使用环境方面，曦智的光子芯片并不会比电子计算机有更严格的要求，在芯片内封闭的环境中，很少有外界手段能影响到光的运行，这方面反而电子更容易受到外界的影响而产生串扰。

和电信号相比，光信号基本不受电磁干扰。所以，在信号传播距离超过 1 到 2 毫米的情况下，维持电信号信噪比所需的能耗会很快超过光电转换带来的额外能耗。

一些来自外界的震动，也基本不会对曦智的光子芯片产生影响，因为他们采用的是 全固态结构，没有任何的机械活动部分。“反而 Lightmatter 的机械式 MZI 可能会受此影响，当然这是我的个人推测。”沈亦晨如此说。

曦智的芯片包含了数万个基础光子器件，光电信号转换的效率大概是 0.1~1 pj/bit，激光发射器采用同光通讯一样的设备，在这方面的相关技术已经非常成熟。

当 DeepTech 问及光子芯片的发布时间，沈亦晨表示，目前曦智已经可以作出非常明确的时间安排，但是暂时还是希望保持一定的神秘感。他补充道，这将是一个很近的时间节点，肯定会在一年之内。

据悉，未来曦智光子芯片将以板卡及服务器的方式推出，同时也会以授权的方式向电子芯片设计厂商提供光子芯片的 IP，以此来提升现有产品的性能。“我们的供应商全都是世界一流的大厂，而且供应链也已经打通。”

图 | 曦智科技原型光子芯片效果图（来源：曦智科技）

沈亦晨补充道，曦智的光子芯片前期将倾向用于 AI 推理芯片，后续会研发 AI 训练芯片，同时也会在几个非典型 AI 的应用场景，如药物研发、材料研发、量子模拟方向、超算方向等领域推出对应的产品。

“我们的产品适用于各种公有、私有云服务及终端服务器。此外，可用于超算及矿机的光子芯片产品也已经处于筹备当中，但这些绝不是曦智的第一款产品。”沈亦晨强调。

光子芯片由于其基本的运作原理，非常适合于做矩阵乘法，尤其是稠密的、高并发式的计算。而这恰恰是人工智能神经网络所需要的。

除此之外，光子芯片在片上传输方面的优势也很大，如：传统计算机内存到计算单元的数据搬运，以及计算单元之间的搬运。

沈亦晨说，利用这一点，一方面可以据此推出自有的光子芯片，另一方面传统计算机也可以使用光计算技术对芯片进行改造。其效果就像是把古人的驿站，替换成现在的高铁。

“我们的技术可以帮助 Intel、NVIDIA 等巨头升级它的芯片，而非单纯地取代。严格来讲，曦智的初代光子芯片属于光电混合芯片，也可以理解为协处理芯片，并没有完全将传统的集成电路抛弃。”

“两强”争霸

目前，在光子芯片这个赛道，曦智科技与 Lightmatter，已经成为了事实的领跑者，谁先行发布量产的光子芯片，谁就可以赢得先发优势。而在公司的背后，也同样是沈亦晨与 Lightmatter 创始人兼 CEO 尼古拉斯 · 哈里斯（Nicholas Harris）之间的竞争。

这两位同样天才的年轻博士，因同一篇论文而开始了同样的事业。

图 | 沈亦晨与 Harris 合作的论文

图 | 该论文登上了当期的 Nature 子刊封面

图 | 沈亦晨与 Harris 在麻省理工学院的创业大赛中获得 10 万美元奖金，他们一左一右共同举起了象征奖金的广告板

沈亦晨对这段往事并不想多谈，他只是说：“共同写作一篇 Paper 很简单，长不过一两年，但是共同创业可能是三五年、十年甚至是一辈子的事情，我们只是各自寻找了合适自己的团队、合作伙伴和投资人。”

想到未来，沈亦晨的眼神微光闪动。

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