總部位于美國華盛頓的戰(zhàn)略與國際研究中心（CSIS）網(wǎng)站1月12日發(fā)表了文章《控制光：硅光子學是美中新技術(shù)競爭的前沿嗎？》，該文指出：在某種程度上，硅光子學支撐并推動了光互連和光計算的進步，這項新興技術(shù)可能會改變中美在半導體和人工智能方面的競爭。同時，美國領(lǐng)先的半導體公司，以及盟國和伙伴國的半導體公司，也開始在硅光子學領(lǐng)域投入更多資源，這使得中國在該領(lǐng)域的領(lǐng)導地位遠未確定。
文章作者是CSIS亞洲項目研究員馬修·雷諾茲（Matthew Reynolds）。CSIS - Center for Strategic and International Studies - 是一家專注于國際公共政策問題的美國智庫機構(gòu)， 通常它聲明所發(fā)表的文章中表達的所有觀點、立場和結(jié)論應理解為僅代表作者的觀點、立場和結(jié)論。
雷諾茲在文章中提醒，美國不應該認為，因為中國無法進入最先進的半導體制造，它就會對其國內(nèi)半導體制造能力產(chǎn)生永久上限。新技術(shù)和架構(gòu)有可能重新定義尖端芯片的構(gòu)成，可能會削弱當前控制的影響，或以難以預測的方式重塑競爭。雖然以美國為首的出口管制可能會削弱中國制造傳統(tǒng)芯片的能力，切斷某些通往領(lǐng)先地位的途徑，但出口管制也可能無意中激勵中國將更多資源投入到新興技術(shù)上，這些技術(shù)將在下一代半導體中發(fā)揮重要作用，特別是隨著摩爾定律的物理極限接近，人工智能的進步正在增加對計算的需求。
雷諾茲的文章提到的對中國硅光子學的研究是基于中國國內(nèi)的一些公開報道，包括中國國際經(jīng)濟交流中心學者、北京大學教授和幾位企業(yè)專家的的觀點，他們指出硅光子學有可能幫助中國打破面臨的技術(shù)封鎖。文章還提到總部位于北京的中科鑫通微電子（SinTone）公司在建的光子芯片生產(chǎn)線，中國的報道說，該項目意味著中國在光子芯片方面將走在世界前列，甚至徹底改變芯片技術(shù)路線。文章也注意到中國國家領(lǐng)導人和“十四五計劃”也把光子學列入自主可控核心技術(shù)。
以下摘譯雷諾茲文章的其他內(nèi)容：
半導體可能是二十一世紀最重要的使能技術(shù)。然而，隨著摩爾定律的終結(jié)臨近，以及工藝尺寸的物理極限的達到，半導體行業(yè)正在尋找除增加晶體管密度之外的其他方法來提高性能，尤其是在人工智能的進步推動了對提高計算能力需求的情況下。硅光子學是一種很有前途的新興技術(shù)，它有可能通過使用標準半導體制造工藝在硅上制造光子元件來減少延遲，同時提高效率。北京方面的一些人認為，這可能會改變中美在先進半導體控制權(quán)方面的競爭格局。
硅光子學是一項創(chuàng)新，它能夠使用標準半導體制造工藝將光子元件直接制造到硅材料基上。與電子學相比，光子學利用光子（光）而不是電子來攜帶信息。它們與電子器件的集成有望創(chuàng)建具有更高帶寬和更高能效的大規(guī)模計算系統(tǒng)，從而超越傳統(tǒng)電子芯片的物理限制。
但是，光子芯片似乎不太可能取代電子芯片——至少不會很快取代電子芯片。相反，光子和電子之間的關(guān)系最好理解為共生。然而，最近的一些發(fā)展似乎表明，硅光子學至少可以為中國提供一條通往半導體制造前沿的部分道路，而不需要最先進的半導體制造設備，這是中國國內(nèi)制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的一個弱點，美國最近通過出口管制利用了這一點。
硅光子學最直接的應用是光學互連的形式。也就是說，用光子學取代電路中的銅線，以加速處理器和/或內(nèi)存之間的信息傳輸，從而減少目前困擾人工智能計算的輸入/輸出瓶頸。在數(shù)據(jù)傳輸而不是數(shù)據(jù)處理是瓶頸的情況下，光互連的集成可以提高計算系統(tǒng)的性能，而不是具有更先進電子設備但沒有光互連的系統(tǒng)。
這似乎是Lightelligence，一家獲得中國資助的美國光學計算公司，通過其最近推出的人工智能加速器蜂鳥所實現(xiàn)或聲稱實現(xiàn)的目標。蜂鳥使用光學互連來連接臺積電以28納米工藝制造的芯片，這與目前的領(lǐng)先優(yōu)勢相去甚遠，完全符合中國國內(nèi)的半導體制造能力。在此過程中，該公司聲稱（但未公布）在某些人工智能任務中超過競爭對手的延遲和效率指標。
硅光子學的另一個應用是在更新興的光計算領(lǐng)域。在光計算中，光子處理器使用光而不是電子進行計算。盡管這些光子處理器能夠執(zhí)行的計算類型目前有限，但光學計算在進行矩陣乘法運算方面顯示出特別的前景。這種類型的計算恰好占神經(jīng)網(wǎng)絡推理操作的 90% 以上，這些推理操作構(gòu)成了大型語言模型的基礎，更普遍地說是生成式 AI，目前推動了 AI 領(lǐng)域最引人注目的進步，以 OpenAI 的 ChatGPT 為代表。
2021 年，在蜂鳥發(fā)布之前，Lightelligence 還推出了一款名為光子算術(shù)計算引擎（PACE）的光學計算系統(tǒng)。在某些計算密集型應用中，PACE 將光子和電子集成芯片聯(lián)合封裝，以實現(xiàn)比 NVIDIA 行業(yè)領(lǐng)先的 GPU 快 25-100 倍的處理速度。在蘇州舉行的Emtech China 2020全球新興技術(shù)峰會上，Lightelligence首席執(zhí)行官沈亦晨說，“光子芯片代表了一個可以更快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)方向。主要原因之一是光子芯片對制造工藝的依賴性不大，技術(shù)不受限制。因此，我們可以使用28納米的電子芯片來更快地產(chǎn)生7納米電子芯片的效果。
在某種程度上，基于沈的陳述，似乎可以想象，光學計算的突破可以允許構(gòu)建一個計算系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用由傳統(tǒng)或至少不是最先進的電子設備支持的光子處理器，這些電子設備執(zhí)行某些與人工智能相關(guān)的任務，以及使用最先進電子設備的全電子系統(tǒng)。雖然Lightelligence沒有列出制造PACE電子產(chǎn)品的工藝節(jié)點，但據(jù)報道，Lightelligence的美國競爭對手Lightmatter正在使用12納米電子來支持其光子，這些光子是在90納米工藝下制造的，并聲稱與英偉達的A100相比，在某些與AI相關(guān)的任務中實現(xiàn)了卓越的計算性能，后者使用7納米工藝。
據(jù)報道，最近清華大學的研究人員開發(fā)了一種光子集成芯片，稱在某些與計算機視覺相關(guān)的人工智能任務中，其性能速度比“頂級GPU”快3000倍，能效高400萬倍。該芯片被稱為“電子和光相結(jié)合的全模擬芯片ACCEL”，它也是由中芯國際使用180納米CMOS工藝制造的，這是一種已有數(shù)十年歷史的制造工藝。雖然ACCEL目前的應用能力似乎過于狹隘，其商業(yè)化時間表尚不清楚，但研究人員確實認為，未來的迭代可能會有更廣泛的應用，包括在大型語言模型中。
以美國為首的一系列出口管制措施試圖切斷中國與制造16-14納米以下工藝以下邏輯芯片所需的最先進的半導體制造設備的聯(lián)系，同時也阻止中國進口訓練和操作最先進的人工智能算法所需的最先進的芯片。然而，硅光子的最新進展似乎表明，即使沒有最先進的半導體制造設備，中國也可以自主制造計算系統(tǒng)，這些計算系統(tǒng)在某些重要的人工智能任務中比全電子計算機更好。
盡管有很多對光子處理器的性能的宣傳，但不應被夸大，因為它們的功能仍然集中在狹隘地的領(lǐng)域。這種狹隘的適用性與對應的電子通用性質(zhì)形成鮮明對比。此外，硅光子學的廣泛采用仍然存在許多技術(shù)障礙，光學計算機還需要在操作系統(tǒng)和應用程序中進行軟件開發(fā)以優(yōu)化其功能?？偠灾?，光學計算的現(xiàn)實可能還需要數(shù)年甚至數(shù)十年的時間。以目前人工智能的進步速度——大型語言模型的規(guī)模每 3.5 個月翻一番——任何延遲都可能形成影響。同樣，美國領(lǐng)先的半導體公司，以及盟國和伙伴國的半導體公司，也開始在硅光子學領(lǐng)域投入更多資源，這使得中國在該領(lǐng)域的領(lǐng)導地位遠未確定。
