比人腦快 1000 倍的光子芯片，牛津大學(xué)最新成果可能徹底淘汰 CPU

發(fā)表于：2017-10-10  作者：dsm1219  關(guān)注度：123

原標(biāo)題：比人腦快 1000 倍的光子芯片，牛津大學(xué)最新成果可能徹底淘汰 CPU

「光子芯片」這個(gè)詞很多人甚至都沒聽過(guò)，但或許過(guò)不了多久它將會(huì)讓現(xiàn)有的 AI 再一次發(fā)生質(zhì)變，更進(jìn)一步的接近人類。

最近美國(guó)的艾克塞特大學(xué)、牛津大學(xué)和明斯特大學(xué)三所高校的研究人員開發(fā)出一款光子芯片，它可以用光來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，速度比現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)處理器快了 10 倍甚至 50 倍，達(dá)到了 300Gbps，同時(shí)能耗大幅降低。因?yàn)槭怯晒怛?qū)動(dòng)，光子芯片可以在比任何電子處理系統(tǒng)都更低的能量供應(yīng)下執(zhí)行超高速的計(jì)算需求。

用 7000 萬(wàn)個(gè)晶體管和 850 個(gè)光子元件（用來(lái)發(fā)送和接收光）組成 2 個(gè)處理器內(nèi)核，整個(gè)芯片只有 3×6 毫米大    圖片來(lái)源：cnBeta

研究人員稱這是第一款成熟的、用光傳輸數(shù)據(jù)的處理器。在測(cè)試中，光子芯片的運(yùn)算速度可以比人腦的速度快 1000 倍，如果用于超級(jí)計(jì)算機(jī)，則只需使用最小的功率的同時(shí)就可最大限度的處理和儲(chǔ)存信息。一旦成熟落地，將徹底改變智能手機(jī)、超級(jí)計(jì)算機(jī)和大型運(yùn)算中心的計(jì)算與網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

如果說(shuō)現(xiàn)有的 AI 技術(shù)紅利已經(jīng)耗盡，那「光子芯片」的出現(xiàn)或許正是 AI 技術(shù)下一次躍遷的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

用光來(lái)運(yùn)算，能有多快？

光子可能是目前地球上計(jì)算能力最強(qiáng)的單元，高效并且穩(wěn)定。

很多人可能并不知道，其實(shí)人腦在大量信息的計(jì)算和處理上是要比目前地球上任何的處理器和處理系統(tǒng)都要強(qiáng)大的，而且在效率和能耗上更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出，而光子芯片則達(dá)到了人腦的 1000 倍。

如何能達(dá)到這么快，說(shuō)到底是依靠光子的超高速度和超低能耗。

對(duì)于光纖傳輸很多人都不會(huì)陌生了，人類運(yùn)用光路傳輸?shù)幕驹韥?lái)運(yùn)送信息已經(jīng)是習(xí)以為常的事了。但其實(shí)，光還有許多潛力待挖掘，比如光信號(hào)的折射、干涉、衍射、偏振等很多特性還遠(yuǎn)未被有效利用。

其實(shí)，光粒子是一定物理環(huán)境下速度最快的粒子，同時(shí)光波又具有不同的波長(zhǎng)、頻率、偏振態(tài)和相位信息，可以用來(lái)代表不同數(shù)據(jù)。而利用光子芯片構(gòu)建的光計(jì)算系統(tǒng)，運(yùn)算速度快、信息失真少、消耗能量低（如果直觀的運(yùn)用在手機(jī)上，那就是表現(xiàn)為速度變得飛快的同時(shí)電池續(xù)航卻變得更好了）。

理論上，光學(xué)計(jì)算機(jī)可以在啟動(dòng)的一瞬間完成所有信息處理，可對(duì)高復(fù)雜度、大數(shù)據(jù)量計(jì)算實(shí)時(shí)并行處理。

光子芯片的速度優(yōu)勢(shì)很明顯，因?yàn)槭且罁?jù)光速來(lái)進(jìn)行運(yùn)算，只要在數(shù)字信號(hào)處理器上附加一個(gè)光學(xué)加速器，就可以制成光學(xué)數(shù)字信息處理器，可使傳統(tǒng)電子芯片的運(yùn)算速度得到巨大提升。

而由于光傳輸所造成的信息畸變和失真極小，光器件的開關(guān)速度比電子器件快得多，因此光計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度在理論上可達(dá)每秒千億次以上，這要比電子計(jì)算機(jī)要快數(shù)百萬(wàn)倍。

電子芯片和摩爾定律困境

電子芯片發(fā)展半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，始終遵循摩爾定律，但近幾年隨著對(duì)信息處理需求的爆炸式增長(zhǎng)，電子芯片的發(fā)展也逐漸遇到了性能瓶頸。

雖然隨著技術(shù)的發(fā)展電腦的芯片單元變得越來(lái)越小，但究其本質(zhì)，今天的微型 CPU 與 70 年前跟房間一樣大的計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)的方式都是一樣的，都是在金屬線中傳遞電子信號(hào)，這種信息的傳遞方式從人類進(jìn)入信息時(shí)代就一直被延續(xù)。

所以隨著數(shù)據(jù)傳輸量與日俱增、傳輸速度需求越來(lái)越高，特別是當(dāng)來(lái)到 AI 時(shí)代，面對(duì)龐大的信息量和復(fù)雜多層的計(jì)算需求，電子芯片開始捉襟見肘。人們開始懷疑摩爾定律或許已經(jīng)走到頭了的時(shí)候，光子芯片的出現(xiàn)無(wú)疑能打破這一瓶頸。

由于光路在空中交叉?zhèn)鬏斢只ゲ桓蓴_，光計(jì)算具有天然的并行性，可在一個(gè)時(shí)間段內(nèi)同時(shí)進(jìn)行多路計(jì)算，不僅速度快而且結(jié)果精準(zhǔn)。正如光纖傳輸正在逐步替代傳統(tǒng)的銅線，光子芯片未來(lái)徹底替代電子芯片可能也只是時(shí)間問(wèn)題。

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)，光子芯片的試金石

一項(xiàng)高精尖技術(shù)，往往都是從軍用過(guò)渡到商用，最后到民用，所以一向技術(shù)的前景和成熟度，往往從世界先進(jìn)的軍事設(shè)施中就能看出一些端倪。

其實(shí)，目前光子芯片在軍事領(lǐng)域的運(yùn)用早已進(jìn)入實(shí)施階段，包括 NASA、美國(guó)海軍空戰(zhàn)中心、美國(guó)導(dǎo)彈防御局等機(jī)構(gòu)都已經(jīng)開始著手研究和開發(fā)相關(guān)技術(shù)。

利用光子芯片搭建量子計(jì)算機(jī)，能靈活模擬數(shù)字計(jì)算機(jī)的任意工作狀態(tài)，將廣泛應(yīng)用于武器裝備設(shè)計(jì)制造、情報(bào)獲取和分析處理、戰(zhàn)爭(zhēng)設(shè)計(jì)與戰(zhàn)場(chǎng)模擬、衛(wèi)星導(dǎo)航定位等諸多領(lǐng)域。NASA 目前就在研制新一代超級(jí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，而其中的計(jì)算核心單元正是光子芯片，同時(shí)美軍多個(gè)機(jī)構(gòu)都已經(jīng)開始授權(quán)美國(guó)公司研究的先進(jìn)光學(xué)處理器，主要用來(lái)加強(qiáng)大型軍用雷達(dá)的芯片計(jì)算和處理能力，將在雷達(dá)探測(cè)領(lǐng)域得到重要應(yīng)用。

再說(shuō)回這次牛津大學(xué)研發(fā)出的這款光子芯片，負(fù)責(zé)芯片開發(fā)的副教授 Vladimir Stojanovic 說(shuō)，開發(fā)出第一款能在外部世界通信的光芯片是重大突破，至于商業(yè)化，最大的挑戰(zhàn)在于找到廉價(jià)的方法封裝芯片。出于成本考慮，光芯片技術(shù)最先會(huì)用在數(shù)據(jù)中心中，然后才能進(jìn)入到小設(shè)備。

但無(wú)論如何，光子芯片這項(xiàng)技術(shù)的成熟將給我們帶來(lái)的影響是巨大的，最直觀的體現(xiàn)就是在更強(qiáng)性能卻更省電的處理器。而長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種遠(yuǎn)超人腦速度的計(jì)算能力可以賦予 AI 的將是無(wú)限的可能性。