“光子芯片”——让光提供运算能力，中国“芯”助跑人工智能

从三国的“木牛流马”到现代的自动驾驶，让“物”具有一部分人的智能，是人类一直以来的梦想。

近年来，中国在人工智能各个领域全面发力。以机器人为例，《2019年中国机器人产业发展报告》显示，今年我国机器人市场规模预计达到86.8亿美元，2014-2019年的平均增长率达到20.9%。

人工智能发展离不开计算能力的飞跃，芯片就是计算机的大脑。如今，国内多个团队正在突破各种不同形式的芯片，在人工智能的比拼中差异化生存。

【长报道】

2008年，白冰来到北京理工大学就读光电子专业。

那时，距离围棋“人机大战”还有很多年，自动驾驶汽车未在亦庄路测，人工智能尚在萌芽中。

本科后两年，白冰交换到澳大利亚国立大学物理光学专业，并在澳大利亚读完硕士。2014年，25岁的白冰结束4年留学生涯，回国攻读博士。“我那时候经常去听各种学术会议，结识了各种志同道合的朋友，也认识整个芯片行业上下游的各种企业。”

2017年，白冰开始创业，组建了全球第二个光子人工智能芯片研究团队。他们制作的光子芯片——硅光AI芯片，有望摆脱对国外高制程光刻机的依赖，成为我国在芯片领域换道超车的核心技术。

这是我国打造核“芯”竞争力的一个缩影。

有了更多更强更好用的芯片，人工智能产业得以蓬勃发展，《2019-2020中国人工智能计算力发展评估报告》提到，围绕京津冀、长三角、大湾区三大经济圈形成的人工智能三大产业集群已初具雏形。

白冰和团队设计制作的硅光AI芯片。摄影/新京报记者 王贵彬

“光子芯片”——让光提供运算能力

我们的世界充满着光。

用光做传输信号，让光转换为能量，大家都能理解，但说到让光提供运算能力，不少人都是一头雾水。

光子芯片，就能向光“要来”运算能力，是白冰和团队致力研发的领域。

目前，业界使用的芯片一般为电子芯片（半导体芯片），即超大规模集成电路，一块芯片上有几百万的晶体管。而光子芯片上有无数个光学开关器，利用不同波长、相位和强度的光线组合进行信息处理。

“对于光来说，传输就是计算。比如光通过一个透镜发生折射，你通过透镜看到另一端的物体变形了。图像经过转化传到你的眼睛的过程中，透镜使得图像发生了变化，这就是一个计算的过程。”白冰说。

白冰和初创团队多有光通信背景，对于使用光进行计算的想法，白冰觉得很自然，“技术已经到了这个程度”。这也是他们团队的优势，因为很多现成的光学元件可以直接拿来用。

光子芯片如何与人工智能搭上边？白冰解释，如果一个芯片跑得非常快、非常省电，一定是芯片的物理结构与软件高度匹配，才能实现高效率。现在的人脸识别、自动驾驶、安防监控、AI金融、AI医疗等功能，都依赖人工智能算法，一款能跟算法匹配的芯片，就是人工智能芯片。

实现人工智能需要大量线性运算，而光子芯片天生适合线性计算——算法高度匹配，计算速度比普通电子芯片高。“光学计算芯片在实验室一直存在，但长期没有比较好的应用场景，无法落地应用，人工智能的发展使得光子芯片有了用武之地。”白冰说。

2017年中，白冰和团队想法成熟，开始着手画图和设计。

“设计用了几个月，2018年初做出了芯片。”白冰说，芯片的设计、加工、封装、测试全部在国内完成，最初花费近百万元，他自掏腰包。

他们制作的硅光AI芯片采用国内130nm微电子工艺，工艺制程容忍度很高，摆脱了对于国外高制程光刻机的依赖，国内很多厂商都能做。“光子芯片可以说是我国在芯片领域换道超车的核心技术。”

虽然无需最新工艺，光子芯片的性能毫不逊色。

“光子芯片能提供电子芯片10倍以上的算力”，白冰介绍。

2018年，全国双创周北京主会场，白冰和团队已经拿出硅光AI芯片样本，吸引了很多人驻足。当年第四届中国“互联网+”大学生创新创业大赛总决赛上，白冰作为负责人的创业项目《光子人工智能芯片》参加比赛并获得银奖。

如今，他们在中关村国防科技园有了自己的办公室，建立了超净实验室，光子人工智能芯片项目也成功签约落户顺义。按照白冰的畅想，未来光子芯片主要还是瞄准人工智能领域的应用与发展。目前，光子人工智能芯片的产品主要集中于云端，之后将推向设备端。

白冰正在超净实验室操作半自动芯片测试平台。摄影/新京报记者 王贵彬

智慧城市的“大脑”

功耗是光子芯片的另一大卖点。无论是性能功耗比还是单位美元提供算力，光子芯片都比电子芯片更有优势。

“电子芯片的功耗比已经到了瓶颈，但是光子芯片的能力还远没有到顶。我们希望更多资源进来，一起优化光子芯片的能力。”白冰介绍，光子人工智能芯片的功耗仅为电子芯片的十分之一，能效比可达10T/W。

中科院上海微系统所所长助理秦曦介绍，集成电路的发展已趋于极限，而通过硅光集成，用光代替原来的电进行传输，成本有可能降低到原来的十分之一，甚至更低。

前不久，国内三大运营商都采购了光子芯片进行功耗测试。在未来的智慧城市建设中，光子芯片被寄予厚望。

“智慧城市需要建设很多‘智慧大脑’作为信息处理中心，然后通过5G将计算能力传出去。光子芯片可以作为‘智慧大脑’的面板，降低能耗。”

白冰介绍，光子芯片还可广泛应用于自动驾驶、智能机器人、工业物联网等领域。

下一步，白冰团队将在硬件基础上提供底层工具，希望国内高校、科研院所以及企业，共同参与，建立完整的光子芯片生态系统。

多所高校正在光子芯片领域攻坚。今年第五期《半导体学报》上，北京大学物理学院陈建军研究员介绍，光子芯片技术的逐渐成熟必将引起光信息技术领域的又一次革命，将在通信、医疗、计算、国防、能源等领域产生颠覆式的革新。

白冰和团队设计的硅光AI芯片测试系统。摄影/新京报记者 王贵彬

“井喷”的人工智能芯片

光子芯片不是唯一能实现人工智能的芯片。

近两年的全国双创周上，不少企业推出了其他种类丰富的人工智能芯片。

例如，清微智能研发的可重构芯片，可在超低功耗下实现人脸识别。

可重构是清微智能的核心技术。首席技术官欧阳鹏解释，所谓可重构，就是没有把整个电路做“死”。例如，人脸检测和语音识别是两个应用、两个算法，对应的是两个不同的电路，“这两个不同的电路，我们只用一颗芯片，切换一下，就能从一个电路变成另外一个电路。实现这一技术有很多难点，比如如何让电路切换更加高效，用了很长时间才实现相对稳定。”

存算一体芯片领域，也有团队在深耕。

知存科技是国内唯一一家应用存算一体技术的公司。工作人员易金刚解释，储存和运算分开，数据进行交互时就会产生大量的数据吞吐。随着用户对视频和语音等应用的需求越来越大，数据吞吐率成为技术发展的瓶颈，把计算和存储尽可能融合在一起，是一个解决方案。以智能耳机为例，芯片经过训练后，能学习音量增大、音量减小、上一首、下一首、开机、关机等关键词，因为采用神经网络计算模式，匹配度极高。

易金刚表示，目前人工智能有几大主流分支，最重要的就是神经网络计算，通过不断迭代和推理过程来完成人工智能计算，很多大公司在做，但是需要借助云端服务。“我们这个产品把云端放到端点这边来解决，把神经网络学习和计算中最复杂、最耗代价的部分通过存算一体芯片来完成。”

北京灵汐科技生产的自行车，周身缠绕着鳞次栉比的线路，连接着各类传感器，车后座上的芯片被称为类脑芯片。依靠芯片，自行车能跟在人后跑，前面有障碍物，自行车也能从周围绕过。自行车还能进行语音辨认，履行转向、加速等多种操作。

“自行车仅仅是一个载体，核心技术就是类脑芯片。这辆车本身的造价为40万元，而芯片的研制本钱超过1亿元。”北京灵汐科技公司副总经理梅迪说。

上个月，清华大学发布全球首款异构融合类脑芯片，并登上了Nature杂志封面。其实，这款芯片也曾在双创周多次亮相。

实验人员展示硅光AI芯片的光电混合封装。摄影/新京报记者 王贵彬

我国有望形成人工智能三大产业群

我国芯片产业起源于上世纪50年代，1953年，苏联援建的北京电子管厂开建，一度是亚洲最大的晶体管厂。

最早，我们走的是自主研发道路，尽管面临国际技术封锁，落后并不多，但在随后的世界芯片业快速发展期，差距被迅速拉大。

1977年，全国600多家半导体生产工厂，一年生产的集成电路总量，只等于日本一家大型工厂月产量的十分之一。

痛定思痛之后，我国先后推出“909工程”以及“国产高性能SOC芯片”“龙芯2号增强型处理器芯片设计”等课题。

2014年，总额超1200亿元国家集成电路产业投资基金成立，专为促进集成电路产业的发展而设立。

如今，以光子芯片为代表，“中国芯”正受到更多关注。

2017年底，工信部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图（2018-2022年）》披露，高速率光子芯片国产化率仅3%左右，并提出2022年中低端光子芯片国产化率超过60%，高端光子芯片国产化率突破20%的目标。

在北京，以芯片等为代表的高新技术，正在引领产业转型和升级，一些芯片企业开始在国内甚至国际市场崭露头角。

国内首家碳化硅芯片企业总经理陈彤表示，半导体技术发展了近半个世纪，总体上这几年来各个方向都碰到了瓶颈。“现在用新型的化合物材料替代原本的硅材料，才能为用户提供更高性能的芯片。这是近年全球出现的一个技术升级换代的趋势，这个新趋势就为国内的新企业、新供应商提供了机会，进入这个常被国外大企业垄断封锁的高端行业。”

陈彤认为，芯片行业竞争没有国界限制，只能拼质量、拼服务、拼技术，没有捷径可走。他的企业前前后后花了两个多亿，才能抢占一个桥头堡。“投钱建线的过程就要两三年，投产爬坡又要五六年。”陈彤说。

得益于芯片产业的扎实基础，我国人工智能产业快速发展。

2019中国人工智能计算大会发布的《2019-2020中国人工智能计算力发展评估报告》提到，围绕京津冀、长三角、大湾区三大经济圈形成的人工智能三大产业集群已初具雏形。

各城市正在不同领域发力。

北京市经信局局长王刚此前透露，北京正在制定《北京市机器人产业创新发展行动方案》，或将构建医疗健康机器人、特种机器人、协作机器人、仓储机器人和关键零部件4+1产业发展格局。到2021年，培育三到五家细分领域龙头企业，机器人及相关产业收入超过120亿元。

上海已开始光子芯片布局，2017年将硅光子列入首批市级重大专项，计划到2021年建成全国硅光子芯片研发和中试基地，到2025年量产平台实现芯片批量供货，成为国际知名硅光子的研发、制造基地。

珠三角方面，以广州市南沙区为例，已成立人工智能研究院、推出产业基金，并打造人工智能产业园。《广州南沙人工智能产业发展三年行动计划（2018-2020年）》提出，到2020年，建成国际领先的人工智能产业集聚区，形成一批富有活力和可持续发展的“AI+”新型产业。

人工智能的标准化也在进行中。2018年1月，国家人工智能标准化总体组、专家咨询组成立，推进标准化工作。今年4月，国家人工智能标准化总体组第二次全体会议召开，发布了人工智能开源与标准化研究、人工智能伦理风险分析等研究成果，《国家新一代人工智能标准体系建设指南》也进入审改完善阶段。

光子算数团队创始人白冰。受访者供图

【亲历者说】

光子算数团队创始人白冰：硅光AI芯片可逐步替代进口高端芯片

我国微电子工艺与国外至少有3代差距，直接导致了国产市场占有率低，高端人工智能芯片严重依赖进口等受制于人的局面。

2017年，我们几个博士聚在一起开始研究光子芯片。这个工作涉及多领域深度交叉融合，当时基本聚集了北京的主要高校，学科也是从软到硬都有覆盖。

我们从学术研讨到走向产业化，一步步摸索出了硅光AI芯片这样一个新技术。

近些年，人工智能产业高速发展，采用单一电子技术已经无法满足当前人工智能芯片性能的需要，也限制了人工智能产业的落地和发展。硅光AI芯片融合人工智能、光电子集成和微电子等多领域技术创新，采用国内成熟的硅基集成光电子工艺完成，摆脱对国外先进制程光刻机依赖的同时，将光子技术引入传统微电子芯片架构，为下一代高性能、低功耗人工智能芯片开辟道路，对加快人工智能产业落地，扭转我国在高端芯片领域受制于人的局面具有重大意义。

硅光AI芯片的研发、落地将掀起新一轮科技和产业革命，自下而上地改变国内人工智能产业生态环境，以“高端芯片国产可控”为标志推动新一轮科技革命和产业变革。

2015年，《Nature》报道了世界首个光电混合集成CPU，基于光电子集成工艺，在同一块衬底上集成了7000万个晶体管和850个光学元件，这是传统电子架构向光电异构转变的开端，带来崭新的计算形式。2018年底，北京交通大学科研团队成功演示了基于光子神经网络的人工智能计算任务，并在国内完成了所有芯片相关的制备和封装。

从产品替代性角度看，硅光AI芯片可以逐步替代进口高端人工智能芯片。

具体来说，硅光AI芯片在电子技术基础上引入光子技术，以光学手段弥补、提升高制程工艺下人工智能芯片的性能，进而媲美进口低制程芯片，因此可以极大地动摇进口高端人工智能芯片在我国的垄断地位。

【同题问答】

新京报：你认为新中国成立70周年最大的变化和进步是什么？

白冰（光子算数团队创始人）：实现人工智能一直是人类的愿望，各种机器人很早就出现在科幻作品中。

以新中国70周年的跨度来看，人工智能是从无到有，甚至在21世纪才实现跨越式发展，光和人工智能的“相遇”更是最近几年才有了眉目。硅光芯片研发在我国起步于2004年，之后在设计、制造、封测、软件工具等方面取得了全产业链条的迅速发展，逐渐成为一个未来可期的产业。

近年来，全国和北京都在双创上给了很多政策，我从博士研究生时开始创业，在双创周的亮相让我们获得了一定的关注。我觉得，新中国成立70周年，除了技术已经演进到了人工智能时代，良好的创新创业的政策也激励了很多创业者，使我坚信光子芯片可以在人工智能时代大放异彩。