最近這幾年，為了搞AI，全球都在瘋狂夯算力。
GPU一卡難求，英偉達(dá)市值飆漲，各家大廠都在瘋狂囤貨、搶產(chǎn)能。一些芯片新勢(shì)力也在趁機(jī)崛起，試圖分一杯羹。
在夯算力的同時(shí)，大家逐漸發(fā)現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題——隨著芯片制程逐漸逼近物理極限，摩爾定律正在走向失效。芯片的功耗越來(lái)越高、散熱越來(lái)越大，成本也變得難以承受。
傳統(tǒng)芯片的性能提升，已經(jīng)走進(jìn)了死胡同。接下來(lái)，我們?cè)撊绾蚊鎸?duì)仍在日益膨脹的算力黑洞？有沒(méi)有一種新的技術(shù)路徑，能打破這個(gè)困局？
目前來(lái)看，最有希望破局的，正是我們非常熟悉的另一位老朋友——光。以光子為核心的光計(jì)算技術(shù)，正以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為我們打開(kāi)一扇通往新世界的大門(mén)。
想要讀懂光計(jì)算的價(jià)值，首先要搞明白，我們用了數(shù)十年的電計(jì)算體系，到底出了什么問(wèn)題。
不管是CPU，還是GPU、NPU，所有傳統(tǒng)芯片，本質(zhì)都是依靠電子運(yùn)動(dòng)完成邏輯計(jì)算。
大家都知道，傳統(tǒng)計(jì)算芯片是由無(wú)數(shù)個(gè)半導(dǎo)體晶體管組成的。晶體管，說(shuō)白了，就是一個(gè)微型開(kāi)關(guān)。當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，它代表“1”；斷開(kāi)時(shí)，則代表“0”。
晶體管（MOS管）示例
通過(guò)控制晶體管的通斷、電子的流動(dòng)，可以表達(dá)和記錄0和1，可以實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制的加減乘除、邏輯判斷。海量的邏輯計(jì)算疊加，就能夠完成各類復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理任務(wù)。
這套經(jīng)典的計(jì)算架構(gòu)，從上世紀(jì)40年代誕生至今，支撐了整個(gè)信息時(shí)代的高速發(fā)展，也撐起了AI浪潮的上半場(chǎng)。
時(shí)至今日，這套架構(gòu)已經(jīng)觸碰到了天花板，面臨著一系列難以逾越的物理瓶頸：
真空中光速是3×10^8 m/s。半導(dǎo)體里電子實(shí)際漂移運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速。常溫硅半導(dǎo)體常規(guī)工作電場(chǎng)下，電子漂移速度僅10^3～10^5 m/s。
根據(jù)中學(xué)物理知識(shí)，外加電壓，會(huì)形成電場(chǎng)。電子順著電場(chǎng)緩慢定向移動(dòng)，就是我們常說(shuō)的載流遷移速度。電場(chǎng)越弱，速度越低。
電子行進(jìn)途中，不斷撞擊硅晶格原子、雜質(zhì)原子，定向運(yùn)動(dòng)頻繁被打斷、折返，宏觀定向行進(jìn)速率就上不去。
大家需要注意，芯片電信號(hào)傳播速度≠電子跑動(dòng)速度。在有線金屬介質(zhì)通信中，電信號(hào)的速度由導(dǎo)體周圍介質(zhì)的磁導(dǎo)率和介電常數(shù)決定。在銅線中，這個(gè)速度約為光速的77%（每秒23萬(wàn)公里）。
但實(shí)際上，CPU、射頻芯片的信號(hào)延遲，由電場(chǎng)傳播時(shí)延決定，而非電子漂移速度。
以水管舉例：我們打開(kāi)水龍頭，能夠瞬間出水，不是水管源頭的水瞬間到了末端出口，而是水壓（電場(chǎng)）瞬間傳遍整條管道。在水壓的影響下，水管中每一部分的水分子（電子），只是緩慢向前挪動(dòng)。
原理沒(méi)看懂也沒(méi)關(guān)系，反正記住一點(diǎn)——芯片中電信號(hào)的速度，其實(shí)并沒(méi)有我們想象中那么快。信號(hào)慢，就意味著延遲高、效率低。
大家都知道電阻。所謂電阻，就是電子在導(dǎo)體中定向移動(dòng)時(shí)，與晶格原子發(fā)生碰撞，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為晶格振動(dòng)，從而產(chǎn)生焦耳熱（熱能）。
電子運(yùn)動(dòng)必然產(chǎn)生電阻，有電阻就會(huì)發(fā)熱、損耗能量。這是無(wú)法改變的物理特性。
隨著芯片的晶體管密度不斷逼近物理極限，這種“發(fā)熱”已從單純的能量損耗，演變?yōu)樽璧K算力進(jìn)一步躍升的“熱墻”。
功耗不僅會(huì)限制芯片的算力提升，也會(huì)帶來(lái)巨大的成本壓力（電力消耗、散熱成本）。
傳統(tǒng)算力升級(jí)的核心邏輯，就是堆疊晶體管、堆砌芯片。
但芯片的物理面積有限，晶體管不可能無(wú)限堆疊。
越是高密度集成，布線難度、散熱壓力、信號(hào)干擾就越大，算力提升的邊際效應(yīng)持續(xù)遞減。
總而言之，隨著芯片制程不斷縮小，電子遷移的延遲、能量損失、功耗激增、信號(hào)串?dāng)_、隧穿效應(yīng)、趨膚效應(yīng)等問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重。
依靠電子的傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)，已經(jīng)無(wú)法應(yīng)對(duì)AI時(shí)代的算力需求。整個(gè)行業(yè)都急需一套全新的計(jì)算范式，打破桎梏。而光計(jì)算，就是目前最靠譜的破局之路。
█ 光計(jì)算，到底是什么？
顧名思義，光計(jì)算，就是用“光子”來(lái)完成運(yùn)算。
業(yè)界對(duì)光計(jì)算是這么定義的：光計(jì)算，是一種以光子為信息載體，通過(guò)光學(xué)器件（如激光器、調(diào)制器、探測(cè)器、光波導(dǎo)等）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)、傳輸與處理的新型計(jì)算范式。
說(shuō)到光，大家第一反應(yīng)往往是光通信。近幾十年來(lái)，光通信技術(shù)的發(fā)展有目共睹。人類之所以將光用于通信，正是因?yàn)楣庾觽鬏斢兄娮觽鬏旊y以比擬的優(yōu)勢(shì)。
光速是目前已知的最快傳輸速度，光子傳播幾乎無(wú)電阻、無(wú)發(fā)熱、無(wú)損耗，且多束光線可以在同一空間、同一通道并行傳輸、互不干擾。
光在通信領(lǐng)域的表現(xiàn)非常出色，所以，就有專家想到，是否可以將光用于計(jì)算。
我們目前的算力體系，是“光傳電算”，數(shù)據(jù)傳輸靠光，數(shù)據(jù)計(jì)算處理靠電。光計(jì)算，就是數(shù)據(jù)計(jì)算處理（包括存儲(chǔ)）也靠光，實(shí)現(xiàn)“光傳光算”。這是真正的全光化，是一種“終極形態(tài)”。
對(duì)比傳統(tǒng)硅基電子計(jì)算，光計(jì)算的優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在四個(gè)方面：
· 速度極致提升
電子傳輸速度受介質(zhì)限制，而光速是宇宙級(jí)的速度上限。光計(jì)算的運(yùn)算速度，相比傳統(tǒng)芯片可以提升數(shù)百甚至上千倍。
電子計(jì)算最大的浪費(fèi)就是電阻發(fā)熱，而光子傳輸損耗極低。同等算力下，光計(jì)算的功耗僅為傳統(tǒng)芯片的幾十分之一甚至百分之一。這可以大幅降低算力成本。
電信號(hào)傳輸容易相互干擾、串?dāng)_，所以電子芯片的并行運(yùn)算能力有限。
而光可以實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)、多通道并行傳輸，不同光路、不同波長(zhǎng)的光信號(hào)互不干擾。單顆光計(jì)算芯片，就能實(shí)現(xiàn)海量數(shù)據(jù)的同步并行運(yùn)算，算力密度遠(yuǎn)超傳統(tǒng)電芯片。
電子芯片容易受電磁干擾影響，高溫、復(fù)雜環(huán)境下性能會(huì)大幅下降。
而光信號(hào)不受電磁干擾，在極端環(huán)境下依然可以穩(wěn)定工作，適配軍工、航天、自動(dòng)駕駛等高端場(chǎng)景。
█ 光計(jì)算，究竟如何實(shí)現(xiàn)？
光計(jì)算的底層原理，關(guān)鍵在于如何表達(dá)0和1。
計(jì)算機(jī)的底層數(shù)據(jù)只有0和1，電計(jì)算是用電信號(hào)的高低電平代表0、1。而光計(jì)算，是用光的亮滅、強(qiáng)弱、相位變化來(lái)承載0、1數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制運(yùn)算。晶體管的PN結(jié)、空穴、柵極電壓那套邏輯，在光計(jì)算里不復(fù)存在。
光計(jì)算，以光子為信息載體，利用光的傳播、干涉、衍射、諧振、疊加等光學(xué)現(xiàn)象，表達(dá)0和1，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)邏輯計(jì)算功能。
光芯片其實(shí)和光通信領(lǐng)域的硅光（集成光路，photonic integrated circuit，簡(jiǎn)稱PIC）概念是一回事。在一個(gè)芯片上，集成幾百個(gè)光器件（如激光器、調(diào)制器、波導(dǎo)和探測(cè)器等），形成完整的光路系統(tǒng)。
例如，激光器輸出的光，遇到調(diào)制器，會(huì)根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)調(diào)整光的強(qiáng)弱：高光強(qiáng)對(duì)應(yīng)“1”，低光強(qiáng)對(duì)應(yīng)“0”。
之后，光子會(huì)通過(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)好的計(jì)算陣列。以MZI（馬赫-曾德?tīng)柛缮嫫鳎┘夹g(shù)路線為例，陣列的關(guān)鍵基礎(chǔ)計(jì)算單元就是MZI（馬赫-曾德?tīng)柛缮嫫鳎彩窍辔徽{(diào)整器。光的相位不一樣，每一部分的相位調(diào)整不同。不同相位的信號(hào)組合，會(huì)導(dǎo)致相長(zhǎng)或相消干涉，從而改變光的強(qiáng)度。這就實(shí)現(xiàn)了矩陣計(jì)算的效果。
經(jīng)過(guò)干涉后的光信號(hào)，攜帶了計(jì)算結(jié)果。最終，由探測(cè)器接收光信號(hào)，轉(zhuǎn)換輸出計(jì)算結(jié)果。
答案顯然是否定的。
傳統(tǒng)電計(jì)算擁有將近百年的發(fā)展歷史，整個(gè)軟硬件生態(tài)根深蒂固，絕對(duì)不可能一朝一夕就被全面替換。光計(jì)算的很多技術(shù)都仍處于實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證階段，距離大規(guī)模商業(yè)化落地也有很長(zhǎng)的路要走。
所以，目前業(yè)界普遍認(rèn)為：光計(jì)算當(dāng)下的主要任務(wù)，不是全面替代電計(jì)算，而是先融入電計(jì)算的現(xiàn)有體系，實(shí)現(xiàn)光電混合計(jì)算，未來(lái)再考慮全光化。
光電融合示意圖（來(lái)源：面向新型智算的光計(jì)算白皮書(shū)2025）
事實(shí)上，當(dāng)下的光計(jì)算，重點(diǎn)針對(duì)的場(chǎng)景，就是AI大模型訓(xùn)練與推理中的大規(guī)模矩陣運(yùn)算。
光計(jì)算的并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)，非常適合處理矩陣乘法、卷積、乘加計(jì)算等線性代數(shù)密集型任務(wù)，能以極低的能耗實(shí)現(xiàn)算力的指數(shù)級(jí)躍升。
業(yè)界正在致力于打造一個(gè)光電混合AI集群系統(tǒng)。
其中，控制邏輯與任務(wù)調(diào)度、存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)管理、高精度通用計(jì)算、復(fù)雜分支計(jì)算這類任務(wù)，繼續(xù)采用電計(jì)算。而AI矩陣運(yùn)算、并行浮點(diǎn)運(yùn)算、圖像算力、信號(hào)處理這類重復(fù)性高、并行度高的任務(wù)，則采用光計(jì)算。
這樣的話，能夠發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短、協(xié)同工作，構(gòu)建出速度更快、功耗更低、成本更優(yōu)、穩(wěn)定性更強(qiáng)的新一代算力架構(gòu)。
值得一提的是，光計(jì)算可以更好地與光通信結(jié)合。這也非常重要。
目前AI集群基本上都在走全光互聯(lián)路線。華為等廠商采用的是光互連。雖然英偉達(dá)還在用電互連（銅連接），但也在積極擁抱光互連。
這幾年非常火爆的NPO/CPO/LPO/XPO技術(shù)，還有I/O、OCS技術(shù)，都是為了解決電互連在帶寬和功耗上的瓶頸而推出的光通信技術(shù)。這些都為光計(jì)算與光通信的無(wú)縫融合鋪平了道路。光通信的技術(shù)研究，其實(shí)也服務(wù)于光計(jì)算。
光計(jì)算是一個(gè)非常具有商業(yè)價(jià)值和戰(zhàn)略前景的領(lǐng)域。全球科技巨頭和頂尖科研機(jī)構(gòu)，都在加速布局，試圖在這一領(lǐng)域搶占先機(jī)。
從技術(shù)和工藝的角度來(lái)說(shuō)，光計(jì)算仍處于早期階段，相關(guān)技術(shù)和工藝還不夠成熟。光計(jì)算芯片需要精密的微納光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、超高精度的光路封裝、光源控制、光電轉(zhuǎn)換模塊，這都還在研發(fā)之中。相比成熟的電芯片工藝，光芯片的良率低、成本高、量產(chǎn)難度極大。
從生態(tài)的角度來(lái)說(shuō)，差距就更大了。光計(jì)算目前根本沒(méi)有成熟的軟件棧、編譯器、工具鏈和社區(qū)，標(biāo)準(zhǔn)體系也遠(yuǎn)未統(tǒng)一。這背后需要的時(shí)間，就更漫長(zhǎng)了。
我們看看國(guó)內(nèi)外的具體進(jìn)展。
國(guó)際上主要走的是前面舉例的硅基MZI（馬赫-曾德?tīng)枺┫喔筛缮媛肪€。在光計(jì)算領(lǐng)域比較領(lǐng)先的企業(yè)是Lightmatter、Luminous Computing等初創(chuàng)公司。Intel、NVIDIA等科技巨頭，通過(guò)并購(gòu)或自研等方式，也在積極入局。
Lightmatter推出的Envise，是全球首個(gè)光子計(jì)算平臺(tái)（光子加速板卡），采用了成熟CMOS工藝與先進(jìn)硅光集成技術(shù)相結(jié)合的?混合光電異構(gòu)系統(tǒng)，單卡算力達(dá)到?300 TOPS?，主要面向數(shù)據(jù)中心AI推理，獲得了谷歌、英偉達(dá)投資，并在北美云廠商試點(diǎn)。
據(jù)稱，搭載了16個(gè)Envise芯片的?Envise 4S服務(wù)器，總功耗僅為?3KW?，能將AI訓(xùn)練能耗降低90%。
Lightmatter Envise
國(guó)內(nèi)方面，主要走的是“MRR微環(huán)諧振+光子存內(nèi)計(jì)算”路線。清華大學(xué)、中科院上海光機(jī)所、上海交大、中科大等高校，都在積極進(jìn)行光計(jì)算的研究。
“流星一號(hào)”超高并行光計(jì)算集成芯片
（來(lái)源：中科學(xué)院上海光機(jī)所）
光本位科技、曦智科技、奇算光啟等企業(yè)，在技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化上也有不錯(cuò)的進(jìn)展。
在不久前的WAIC 2026上，光本位科技發(fā)布了256×256光子存內(nèi)芯片，年內(nèi)計(jì)劃推出第二代計(jì)算卡，單卡千TOPS算力，對(duì)標(biāo)主流AI推理GPU。
電子計(jì)算的紅利已經(jīng)吃到盡頭。而光計(jì)算，很可能是下一代算力革命的核心鑰匙。
它不是簡(jiǎn)單的技術(shù)升級(jí)，而是計(jì)算底層邏輯的全新變革。我們所熟悉的關(guān)于計(jì)算的一切，都可能被光計(jì)算徹底顛覆。
光電賦能，算力新生。屬于光計(jì)算的時(shí)代，才剛剛拉開(kāi)序幕。
