瞻觀前沿

近日，據(jù)清華大學(xué)消息，針對大規(guī)模光電智能計算難題，清華大學(xué)電子工程系副教授方璐課題組、自動化系戴瓊海院士課題組，摒棄傳統(tǒng)電子深度計算范式，另辟蹊徑，首創(chuàng)分布式廣度光計算架構(gòu)，研制大規(guī)模干涉-衍射異構(gòu)集成芯片太極(Taichi)，實現(xiàn)160 TOPS/W的通用智能計算。在如今大模型通用人工智能蓬勃發(fā)展的時代，該科研成果以光子之道，為高性能算力探索新靈感、新架構(gòu)、新路徑。相關(guān)科研成果發(fā)表于最新一期的國際期刊《科學(xué)》。

智能光計算作為新興計算模態(tài)，在后摩爾時代展現(xiàn)出遠超硅基電子計算的性能與潛力。然而，其計算任務(wù)局限于簡單的字符分類、基本的圖像處理等。其痛點是光的計算優(yōu)勢被困在不適合的電架構(gòu)中，計算規(guī)模受限，無法支撐亟須高算力與高能效的復(fù)雜大模型智能計算。

據(jù)介紹，太極光芯片的計算能效超現(xiàn)有智能芯片2—3個數(shù)量級，將可為百億像素大場景光速智能分析、百億參數(shù)大模型訓(xùn)練推理、毫瓦級低功耗自主智能無人系統(tǒng)提供算力支撐。

圖片來源：攝圖網(wǎng)

技術(shù)價值觀察

人工智能芯片產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)清晰，鏈條較短，主要分為上游的材料與設(shè)備，中游的產(chǎn)品制造，下游的應(yīng)用市場;上游的材料與設(shè)備主要指半導(dǎo)體材料和半導(dǎo)體設(shè)備，半導(dǎo)體材料包括單晶硅、單晶鍺、砷化鎵、晶體管等材料，半導(dǎo)體設(shè)備包括光刻機、等離子刻蝕機等設(shè)備;中游的產(chǎn)品制造包括芯片設(shè)計和芯片制造，芯片設(shè)計的流程主要是通過EDA進行系統(tǒng)設(shè)計、RTL設(shè)計、物理設(shè)計等過程，芯片制造包括晶圓加工、晶圓測試、晶片切割、芯片封裝等過程;下游的應(yīng)用市場主要有云計算、自動駕駛、智能手機、無人機、智能音箱、智能安防等。

清華大學(xué)研究團隊首創(chuàng)分布式廣度光計算架構(gòu)，研制太極光芯片，計算能效超現(xiàn)有智能芯片2—3個數(shù)量級。因此，從人工智能芯片產(chǎn)業(yè)鏈上看，該技術(shù)處于產(chǎn)業(yè)鏈的中游產(chǎn)品制造環(huán)節(jié)。

宏觀市場觀察

——AI芯片是智能計算的主流模式

基于AI芯片的加速計算是當(dāng)前智能計算的主流模式。AI芯片通過和AI算法的協(xié)同設(shè)計來滿足AI計算對算力的超高需求。當(dāng)前主流的AI加速計算主要是采用CPU系統(tǒng)搭載GPU、FPGA、ASIC等異構(gòu)加速芯片。

近年來，國產(chǎn)AI加速芯片廠商持續(xù)發(fā)力，在該領(lǐng)域取得了快速進展，相關(guān)產(chǎn)品陸續(xù)發(fā)布，覆蓋了AI推理和AI訓(xùn)練需求，其中既有基于通用GPU架構(gòu)的芯片，也有基于ASIC架構(gòu)的芯片，另外也出現(xiàn)了類腦架構(gòu)芯片，總體上呈現(xiàn)出多元化的發(fā)展趨勢。

——人工智能芯片滲透多個行業(yè)

人工智能芯片包含計算機科學(xué)領(lǐng)域和半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域;計算機科學(xué)領(lǐng)域是指高效率的智能算法，即軟件;半導(dǎo)體芯片領(lǐng)域是指將算法有效地在硅片上實現(xiàn)，最終變成能和配套配套軟件結(jié)合的實體產(chǎn)品。當(dāng)前，人工智能芯片根據(jù)其技術(shù)架構(gòu)可以分為CPU、GPU、FPGA、ASIC、類腦芯片;按照其在網(wǎng)絡(luò)中的位置可以分為云端AI芯片、邊緣AI芯片、終端AI芯片;根據(jù)其在實踐中的目標(biāo)可以分為訓(xùn)練芯片和推理芯片。

人工智能芯片憑借強大的算法承載力和超高的處理速度，廣泛應(yīng)用于多種場景，比如智能人臉識別或智能語音識別，處理超高數(shù)據(jù)庫的服務(wù)器大數(shù)據(jù)分析，隨時處理變化的交通信息及各類傳感器信息的自動駕駛領(lǐng)域，以及機器人的智能化等。

——全球人工智能芯片市場規(guī)模

人工智能芯片是人工智能的大腦，隨著全球人工智能終端設(shè)備數(shù)量的增長以及邊緣計算的需求逐步提升，全球人工智能芯片需求量快速增長，市場規(guī)模不斷擴大。根據(jù)Tractica公布的數(shù)據(jù)顯示，2019年全球人工智能芯片市場規(guī)模達110億美元，預(yù)計2020年全球人工智能芯片市場規(guī)模將增加至175億美元，2025年全球人工智能芯片市場規(guī)模有望突破720億美元。

——全球光模塊市場規(guī)模不斷增長

光通信器件行業(yè)的終端產(chǎn)品主要為光模塊，據(jù)FROST&SULLIVAN統(tǒng)計，2015-2020年，全球光模塊市場規(guī)模逐年增長。2020年，全球光模塊行業(yè)市場規(guī)模實現(xiàn)105.4億美元，較2019年增長8.32%，2021年全球光模塊行業(yè)市場規(guī)模約超過110億美元。

——全球光模塊市場份額

在過去的十年里，中國的光器件和模塊供應(yīng)商憑借成本優(yōu)勢逐漸在全球市場上獲得份額，目前在全球光模塊市場占主導(dǎo)地位。2015年前，全球前十大光模塊廠商僅光迅科技一家中國企業(yè);2021年，中際旭創(chuàng)等五家供應(yīng)商進入全球前十，主要廠商相較前一年市場份額均有提升;2022年，光模塊全球市前10名中國占據(jù)7家，其中中際旭創(chuàng)、Coherent、思科、華為四家廠商占據(jù)全球光模塊市場份額超過50%，中際旭創(chuàng)和Coherent分別獲得近14億美元的收入。

——未來光模塊將向小體積、高速率和模塊化發(fā)展

在光通信及數(shù)據(jù)中心傳輸流量爆炸式增長的推動下，光模塊經(jīng)歷了從2.5G、10G、100G、400G快速升級，并向800G演進，未來速率也將不斷提升。同時，為了降低更換成本并加速升級換代，模塊化也是一大重要方向。

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