產(chǎn)業(yè)丨光子學賦能AI規(guī)模化發(fā)展，光芯片成為核心一環(huán)

在處理更為復雜的計算任務時，尤其是涉及超過5000億個參數(shù)的大型模型時，我們面臨重大挑戰(zhàn)——系統(tǒng)的性能越來越受到計算節(jié)點間通信的影響，而非計算本身。

傳統(tǒng)的電子輸入/輸出（I/O）解決方案難以滿足芯片間及跨系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸日益增長的需求。

隨著計算能力的提升，電子信號的局限性愈發(fā)明顯，導致功耗增加、熱管理問題，最終限制了系統(tǒng)性能。

電子芯片以硅為基礎(chǔ)，當制程降至7納米以下時，便容易出現(xiàn)電涌和電子擊穿等問題，導致難以控制。

光芯片則提供了新的解決方法，不僅能夠克服功耗和訪存能力的瓶頸，還能催生許多前所未有的應用場景。

光子芯片的出現(xiàn)，被視為一種革命性的解決方案，旨在通過光學而非電子方式進行數(shù)據(jù)傳輸和處理，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心性能的大幅提升和能效的顯著優(yōu)化。

傳統(tǒng)半導體技術(shù)在AI領(lǐng)域的局限性，以及數(shù)據(jù)中心和智能邊緣中高性能AI與ML應用的需求，推動了對速度更快、可擴展性更強的芯片的追求。

在數(shù)據(jù)中心，龐大的訓練數(shù)據(jù)集、大型語言模型（LLM）以及深度強化學習（DRL）已經(jīng)觸及了計算能力和內(nèi)存帶寬的極限。

在邊緣計算領(lǐng)域，高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）、可穿戴設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備以及工業(yè)4.0基礎(chǔ)設(shè)施對芯片的需求日益復雜化，以實現(xiàn)在更低功耗下的快速實時推理。

利用光子芯片釋放效率與可擴展性，基于光的光子芯片能夠為更高效、更可持續(xù)的GenAI、DRL和AGI工作負載提供互補且切實可行的解決方案。

光芯片的應用場景獲得了極大的拓展

光子芯片簡單而言，是利用光信號進行數(shù)據(jù)獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的芯片。

光子芯片在當下時代備受追捧，主要得益于其兩方面的優(yōu)勢：

一是性能優(yōu)勢，包括高計算速度、低功耗、低時延；

其二則是制造優(yōu)勢，制程要求相對較低。

具體而言，由于光的傳播速度極快且具有高帶寬的特點，它能夠在更短時間內(nèi)傳輸更大規(guī)模的數(shù)據(jù)。

此外，光信號幾乎不產(chǎn)生電阻熱損耗，能效比傳統(tǒng)電信號高。

部分數(shù)據(jù)顯示，光子芯片的計算速度大概是電子芯片的三個數(shù)量級，約1000倍。

而光子芯片的功耗僅為電子芯片的百分之一，單位電子芯片和耗電量大約為300W，對應的光子芯片的耗電量只有4W。

光芯片不僅能在計算領(lǐng)域大顯身手，主要應用于光通信、數(shù)據(jù)中心、超高速互聯(lián)網(wǎng)、光子計算、量子計算和傳感器等領(lǐng)域，也在其他領(lǐng)域展現(xiàn)其應用前景。

例如，抗干擾性能強的光子技術(shù)使得光子雷達的研發(fā)成為可能，自動駕駛、圖像識別、虛擬現(xiàn)實、數(shù)云平臺等領(lǐng)域，光芯片也已被大量采用。

在生命健康、超導材料以及國防裝備等方面，光芯片可實現(xiàn)更高效的數(shù)據(jù)處理和分析，將形成神經(jīng)光子學、免疫分析、高超音速武器等新的重大應用場景。

在材料選擇方面，光芯片的材料選擇至關(guān)重要，不同于電芯片主要使用硅（Silicon），光芯片需要使用適合光傳輸和調(diào)制的材料。

光纖鏈路的運用，促進了跨越機架與行的交換機之間的連接，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴展。

盡管橫向擴展網(wǎng)絡(luò)已普遍采用光學技術(shù)，但網(wǎng)絡(luò)的縱向擴展向光子學的轉(zhuǎn)變?nèi)栽谶M行中，尚未完全實現(xiàn)。

目前，可插拔光纖收發(fā)器能夠在數(shù)十米范圍內(nèi)實現(xiàn)網(wǎng)卡與交換機間的數(shù)據(jù)傳輸。

然而，隨著數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，這些解決方案正面臨日益增長的功耗和性能瓶頸。

為了適應大規(guī)模語言模型（LLM）的增長和吞吐量需求，橫向擴展網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率持續(xù)提升，導致網(wǎng)絡(luò)功率已超過加速器機架的功率。

英偉達指出，將可插拔光模塊轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>CPO可顯著降低1.6Tbps鏈路的光模塊功率，從30瓦特降至9瓦特。

英偉達在GTC25上推出了首款搭載CPO的橫向擴展交換機。

其節(jié)能特性使得GPU密度得以提升——在相同的數(shù)據(jù)中心功率范圍內(nèi)，GPU數(shù)量最多可增加3倍。

目前，縱向擴展互連主要依賴銅線。英偉達的Blackwell架構(gòu)采用全銅解決方案NVLink72，其廣泛的布線貫穿了主板、交換機和機架背板。

隨著信號頻率的提高，銅線束可以直接連接到GPU，從而繞過傳統(tǒng)的PCB走線。

新的統(tǒng)一接口需要兼顧兩者的優(yōu)勢——合并后的規(guī)范應超越它們所取代的傳統(tǒng)接口。

預計在未來幾年內(nèi)，規(guī)模化網(wǎng)絡(luò)將開始向CPO過渡，并預計在2030年代大規(guī)模替換可插拔式光模塊。

到2030年，CPO市場規(guī)模預計將從目前的零增長至50億美元。

博通、Marvell、Ayar Labs、Celestial AI和Lightmatter等早期參與者，以及Coherent等激光器供應商，都將從這一趨勢中受益。

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