效率更高、能耗更低的光子芯片，會是下一代處理器嗎？

bravo090

今天看說中國打算彎道超車，搞光子芯片


最近幾十年計(jì)算機(jī)能耗飛漲。研究人員估計(jì)，目前數(shù)據(jù)中心所耗能源占全世界能源的1%。僅谷歌一家公司每年就耗費(fèi)了 12 TW·h 以上的能源，比斯里蘭卡整個(gè)國家耗費(fèi)的能源還要多。

比特幣以及其他種類加密貨幣的挖礦活動自2009年興起，現(xiàn)在耗費(fèi)的電量也越來越多，最新官方估計(jì)比特幣挖礦每年耗費(fèi)電量達(dá)121 TW·h。

AI也是耗電大戶，特別是其中的深度學(xué)習(xí)、面部識別等功能所必需的深度學(xué)習(xí)算法。訓(xùn)練這些算法時(shí)，需要處理大量數(shù)據(jù)，也就相應(yīng)地需要耗費(fèi)大量電力，并可能產(chǎn)生巨量二氧化碳。一項(xiàng)研究估計(jì)，深度學(xué)習(xí)算法訓(xùn)練所需能源相當(dāng)于一輛汽車在其使用壽命內(nèi)所耗盡的能源總量。

各個(gè)公司也采取了多種方式抑制能耗并減少計(jì)算機(jī)計(jì)算對氣候產(chǎn)生的影響。例如，數(shù)據(jù)中心能效得到了有效提升。2010年~2018年數(shù)據(jù)中心能耗僅上升了6%，算力則提升了6倍。但是使用光子而非電子的光基集成電路在降能耗上表現(xiàn)更為出色。這些電路能耗如此之低，歸功于光的性質(zhì)。當(dāng)電子通過晶體管和其他傳統(tǒng)集成電路元件時(shí)，會遇到阻力并產(chǎn)生熱量。隨著設(shè)計(jì)者不斷將各種元件添加到芯片上，芯片產(chǎn)生的熱量自然會升高。

此外，光子芯片計(jì)算速度也更高。在光基設(shè)備中數(shù)據(jù)以光速移動，比普通電路中電子移動速度快10倍。美國馬薩諸塞州劍橋市麻省理工學(xué)院的電子工程學(xué)和計(jì)算機(jī)工程學(xué)副教授Dirk Englund說道：“物理學(xué)使我們有了如此巨大的收獲�！彼�還稱，光子芯片能將處理速度提升 6~7 個(gè)數(shù)量級。

除此，光子芯片將為AI帶來突破式發(fā)展，不只因?yàn)槠錁O高的運(yùn)行速度和低能耗。Englund說，光子芯片可以輕松運(yùn)算矩陣向量乘法，同時(shí)支持深度學(xué)習(xí)。而且，傳統(tǒng)集成電路無法勝任的線性代數(shù)計(jì)算，對光子芯片來說也不在話下。

數(shù)家公司都在為AI開發(fā)光子芯片，其中就包括位于波士頓的Lightelligence公司。然而，Lightmatter公司的Envise芯片是最接近商業(yè)化的。公司稱該芯片相比當(dāng)前頂尖電子芯片快10倍，且能耗只有后者的15%。不過還沒有第三方對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行核驗(yàn)。Lightmatter公司計(jì)劃將在一個(gè)刀片服務(wù)器中使用16個(gè)芯片，組成一個(gè)數(shù)據(jù)中心專用AI計(jì)算機(jī)，并在2021年下半年與消費(fèi)者見面。當(dāng)然這種設(shè)備并非只采用光子芯片，它也包含電子芯片，加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校電子與計(jì)算機(jī)工程及材料學(xué)教授John Bowers認(rèn)為：“Lightmatter公司的產(chǎn)品是一個(gè)巨大的進(jìn)步。”

光子芯片同樣可以幫助其他計(jì)算機(jī)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)能耗降低。比如，部分專家認(rèn)為這類設(shè)備能夠抑制加密貨幣挖礦的能源需求。然而，這些光子芯片也有局限性。Englund說，首先，研發(fā)光基內(nèi)存極為困難，只能采用傳統(tǒng)電子芯片為 Envise 提供內(nèi)存。此外，光子芯片是模擬計(jì)算，計(jì)算精度可能比不上電子芯片。因此，Lightmatter公司所售刀片服務(wù)器的主要賣點(diǎn)是“加速器”，用于幫助受過訓(xùn)練的AI算法運(yùn)行。此外，AI研究人員稱他們很高興能馬上拿到光子芯片進(jìn)行測試。Englund說：“我們馬上就能看到比較結(jié)果，見識到光基設(shè)備有多強(qiáng)大。”

東方33333

強(qiáng)大

mhfx2020

理解不了。。

331459561

不太理解

天空挑戰(zhàn)者

主要看能不能投入實(shí)用

guanjiansu66

感謝分享

中國一重

量子和光子能討論下嘛

bravo090

中國一重 發(fā)表于 2024-4-1 11:05
量子和光子能討論下嘛

要討論啥，這個(gè)可以聊    我一個(gè)老鐵之前就跟潘建偉混的

中國一重

這兩者的區(qū)別除了傳輸速度還有什么呢

bravo090

中國一重 發(fā)表于 2024-4-1 11:27
這兩者的區(qū)別除了傳輸速度還有什么呢

相似點(diǎn)

• 高速計(jì)算能力：量子芯片和光子芯片都被設(shè)計(jì)來提供比傳統(tǒng)電子芯片更快的計(jì)算速度。它們利用各自的物理特性來實(shí)現(xiàn)并行處理和高速運(yùn)算，以滿足日益增長的大數(shù)據(jù)和人工智能等領(lǐng)域的計(jì)算需求。
• 低功耗潛力：兩者都有望實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)電子芯片更低的功耗。量子芯片通過量子態(tài)的疊加和糾纏來減少能量消耗，而光子芯片則利用光的高速傳輸和并行處理能力來降低功耗。
• 技術(shù)創(chuàng)新：量子芯片和光子芯片都是對現(xiàn)有計(jì)算技術(shù)的創(chuàng)新嘗試，它們代表了計(jì)算技術(shù)發(fā)展的未來方向，有望突破傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)的局限。
  

不同點(diǎn)

• 工作原理：
  • 量子芯片：量子芯片基于量子力學(xué)原理，使用量子比特（qubits）作為信息的基本單位。量子比特不同于傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的二進(jìn)制比特，它可以同時(shí)處于0和1的狀態(tài)，這種疊加狀態(tài)使得量子計(jì)算機(jī)能夠在計(jì)算過程中執(zhí)行大量并行操作。
  • 光子芯片：光子芯片則利用光子（光的粒子）作為信息載體，通過光學(xué)元件和光波導(dǎo)來進(jìn)行信息的處理和傳輸。光子芯片通常依賴于光學(xué)計(jì)算技術(shù)，如傅立葉變換、光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，來實(shí)現(xiàn)信息處理。
    
• 技術(shù)成熟度：
  • 量子芯片目前仍處于研發(fā)和實(shí)驗(yàn)階段，雖然已經(jīng)取得了一些重要的進(jìn)展，如實(shí)現(xiàn)量子優(yōu)越性，但在穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性和錯(cuò)誤糾正等方面仍面臨挑戰(zhàn)。
  • 光子芯片技術(shù)相對成熟，已經(jīng)在某些特定應(yīng)用中得到實(shí)際應(yīng)用，如光通信和光學(xué)數(shù)據(jù)處理，但在通用計(jì)算領(lǐng)域的應(yīng)用還在探索中。
    
• 應(yīng)用領(lǐng)域：
  • 量子芯片在理論上適用于解決一些傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以解決的問題，如復(fù)雜系統(tǒng)的模擬、密碼學(xué)、量子模擬等。
  • 光子芯片則更適合于需要高速數(shù)據(jù)處理和傳輸?shù)膽?yīng)用，如光通信、圖像處理、大數(shù)據(jù)中心等。
    
• 技術(shù)挑戰(zhàn)：
  • 量子芯片面臨的主要技術(shù)挑戰(zhàn)包括量子比特的穩(wěn)定性、量子糾錯(cuò)、量子態(tài)的相干性和量子門的精確控制等。
  • 光子芯片的技術(shù)挑戰(zhàn)則包括光學(xué)元件的微型化、集成度的提高、以及與現(xiàn)有電子計(jì)算平臺的兼容性等。
    
• 產(chǎn)業(yè)前景：
  • 量子芯片的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化還處于早期階段，需要大量的研究和投資來克服技術(shù)和制造的障礙。
  • 光子芯片在某些領(lǐng)域已有明確的應(yīng)用前景，如光通信，但要實(shí)現(xiàn)廣泛的通用計(jì)算應(yīng)用，還需要進(jìn)一步的技術(shù)突破和市場驗(yàn)證。