如何趕上ChatGPT快車？你想問的光子芯片或許都知道

  憑借著超快運算速度以及無與倫比的聯(lián)想能力，ChatGPT只用了短短兩個月便成為首個在2023年引起全球超高討論度的消費類應(yīng)用。

  在大眾看來，這個已經(jīng)被投喂了1750億參數(shù)量、3000億訓(xùn)練單詞數(shù)的大數(shù)據(jù)模型雖然現(xiàn)在還只是一個無所不知無所不答的聊天機(jī)器人，但假以時日，誰能保證ChatGPT不會顛覆我們目前世界的運行法則?畢竟，“他”確確實實已經(jīng)讓我們窺見了未來世界的一角。

  作為一項即將改變世界的技術(shù)，ChatGPT的成功搭建不僅讓更多的科技企業(yè)看到了人工智能應(yīng)用落地的另一種可能性，也讓我們開始思考：面對前人可以說是一輩子都遇不到幾次的科技大變革時，需要做好怎樣的準(zhǔn)備才能不落人后?

  要想回答這個問題，我們不妨先從人工智能產(chǎn)業(yè)鏈條上各個環(huán)節(jié)都不可或缺的這一枚小小芯片說起。

  光子芯片：后摩爾時代人工智能的未來

  從最新的市場走向來看，ChatGPT似乎已經(jīng)不再滿足于只做一個聊天機(jī)器人了。

  日前，名聲大噪的OpenAI接連放出兩個重磅消息：一是ChatGPT將向所有Plus用戶推出聯(lián)網(wǎng)和插件功能，二是ChatGPT的官方App即將登錄蘋果iOS商店。

  雖然目前只有美國地區(qū)的iOS用戶可以在iPhone和iPad上免費下載并使用，但OpenAI承諾，chatGPT的Android版本已在路上，這也意味著拿下兩大移動生態(tài)陣營后，ChatGPT的用戶將覆蓋全球86.29%的人口，且隨著其聯(lián)網(wǎng)功能的實現(xiàn)，ChatGPT將不再只局限于學(xué)習(xí)過去的知識，而是不斷吸收互聯(lián)網(wǎng)上此時此刻正在發(fā)生的新事物，通過龐大的用戶數(shù)據(jù)增長提高自身迭代升級的速度。

  有人把ChatGPT高速“進(jìn)化”的原因歸結(jié)于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的成功搭建。的確，對于人工智能來說，幾乎所有的功能實現(xiàn)都離不開強(qiáng)大的大型數(shù)據(jù)庫處理工具，這就要求計算機(jī)在沒有獲得明確指令的條件下，能快速高效地學(xué)習(xí)并組合分析大量信息。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)就是這種擁有自學(xué)能力的數(shù)據(jù)處理計算機(jī)。

  人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得以實現(xiàn)的基礎(chǔ)是大量的矩陣運算，但目前其依賴的諸如CPU、GPU等傳統(tǒng)的電域集成芯片由于其結(jié)構(gòu)上無法規(guī)避的缺陷，在處理大量的矩陣運算時，面臨著帶寬低、功耗大、速度慢等問題。這使得未來隨著計算能力繼續(xù)呈指數(shù)級別狂飆后，硬件端將產(chǎn)生難以想象的時間和能耗成本。

  為了解決上述問題，業(yè)內(nèi)企業(yè)、研究者越來越多地致力于開發(fā)新的硬件架構(gòu)，以適應(yīng)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和深度學(xué)習(xí)的應(yīng)用，其中就包括具有帶寬大、速度快等優(yōu)勢的光子芯片。

  隨著全球集成電路產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入“后摩爾時代”，光子芯片因其高速度、低能耗、工藝技術(shù)相對成熟等優(yōu)勢，有效突破傳統(tǒng)集成電路物理極限上的瓶頸，滿足了人工智能革命對信息獲取、傳輸、計算、存儲、顯示的技術(shù)需求，對傳統(tǒng)芯片形成部分替代，并在5G通信、大數(shù)據(jù)中心等領(lǐng)域開拓了大量新應(yīng)用。

  科學(xué)家普遍認(rèn)為，光子可以像電子一樣作為信息載體來生成、處理、傳輸信息。荷蘭科學(xué)家最早提出“以光子作為信息載體和能量載體的科學(xué)”。錢學(xué)森也曾在《中國激光》上著文，首次提出“光子學(xué)、光子技術(shù)和光子工業(yè)”的構(gòu)想，并認(rèn)為以集成光路為核心的光子計算機(jī)的運算能力可以超過電子計算機(jī)百倍、千倍乃至萬倍。

  與電子相比，光子作為信息載體具有先天的優(yōu)勢：超高速度、超強(qiáng)的并行性、超高帶寬、超低損耗。在傳輸信息時，光子具有極快的響應(yīng)時間，光子脈沖可以達(dá)到fs量級(飛秒量級)，信息速率可以達(dá)到幾十個Tb/s，傳輸信息容量也比電子芯片高了3-4個數(shù)量級。

  同時，光子也具有極強(qiáng)的存儲和計算能力，能以光速進(jìn)行超低能耗運算，據(jù)估算，隨著光子芯片的逐步應(yīng)用，理論上有望將數(shù)字產(chǎn)業(yè)能耗降低至電子芯片的千分之一，在信息獲取、信息傳輸、信息處理、信息存儲及信息顯示等領(lǐng)域催生眾多新的應(yīng)用場景。

  EML：在超算數(shù)據(jù)中心領(lǐng)域大放異彩

  前面提到，光子芯片在光通信應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)規(guī)模巨大，其位于整個光通信產(chǎn)業(yè)的最前端，是光模塊的核心，也是技術(shù)壁壘最高的環(huán)節(jié)之一。

  根據(jù)LightCounting數(shù)據(jù)，2022年全球光模塊市場規(guī)模同比增長14%，并將在2027年超過200億美元，5年CAGR達(dá)到10%。而光子芯片占光模塊市場比重也將從2018年約15%的水平一舉達(dá)到2025年超25%的水平，中國將成為全球光子芯片市場增速最快的地區(qū)之一。

  其中，電吸收調(diào)制激光器(EML)扮演了重要的角色。EML結(jié)合了分布式反饋激光器(DFB)優(yōu)異的單模性能和電吸收調(diào)制器(EAM)的高調(diào)制效率，在長距離光發(fā)射器中得到了廣泛的應(yīng)用，其所在的InP激光器市場在2020年度全球光芯片營收占比達(dá)到了60%。

  從原理上看，EML利用了半導(dǎo)體材料在外激勵作用下發(fā)出光的單色性以及相干光的方向性。在外界電流的激勵下，半導(dǎo)體中的電子獲得能量游離到導(dǎo)帶，原來的位置就形成空穴。電子從高能級的導(dǎo)帶向低能級的價帶躍遷時，空穴和電子就會再次結(jié)合輻射出光子，再經(jīng)過諧振腔的正反饋發(fā)出激光。

  雖然EML原理復(fù)雜、工藝技術(shù)難度大，但在近年來市場需求的不斷增加下，EML芯片市場活躍度依舊有明顯提升，國內(nèi)光通信企業(yè)紛紛推出了一系列極具競爭力的產(chǎn)品。

  海信寬帶早在2020年1月便推出了10G 1577nm EML光芯片，并成為當(dāng)年最具競爭力光通信產(chǎn)品之一；源杰科技則表示將于年內(nèi)推出100G EML激光芯片。

  而就在近期，長光華芯發(fā)布了單波100Gbps(56Gbaud四電平脈沖幅度調(diào)制(PAM4))電吸收調(diào)制器激光二極管(EML)芯片。該芯片由于采用了脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，能夠支持4個CWDM波長：1271、1291、1311和1331nm，允許不同波長的光信號在單個光纖中復(fù)用，從而減少了所需要的光纖數(shù)量，為信息傳輸和計算提供一個重要的連接平臺，大幅降低信息連接所需的成本、復(fù)雜性和功率損耗。

  眾所周知，對于高速率WDM技術(shù)來說，使用直接調(diào)制的半導(dǎo)體激光器會出現(xiàn)啁啾現(xiàn)象，時間變化信號的線性或非線性的漂移使得傳輸效果大打折扣。

  EML由于具有較高的發(fā)射光功率，能夠有效避免激光器芯片在高速調(diào)制下產(chǎn)生的啁啾效應(yīng)。相較于DML及VCSEL，EML在50G以上波特率的性能表現(xiàn)更優(yōu)，因低頻率啁啾、大調(diào)制帶寬的優(yōu)勢，成為800G超算數(shù)據(jù)中心互聯(lián)的最佳選擇。

  談到智能化建設(shè)，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)都是永遠(yuǎn)繞不開的話題。當(dāng)前光纖通信網(wǎng)包含的3個領(lǐng)域：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)、無線移動網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)中，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)是增長速度最快的一個，其傳輸容量每年都能實現(xiàn)翻倍。

  同時據(jù)數(shù)據(jù)顯示，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)中約有71.5%的數(shù)據(jù)傳輸都發(fā)生在數(shù)據(jù)中心內(nèi)部，隨著數(shù)據(jù)中心交換芯片容量的提升及大型云計算廠商需求跟進(jìn)，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部互傳光模塊逐漸向400G/800G過渡，預(yù)計未來5年時間，其復(fù)合增長率達(dá)到近40%，光通信行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈持續(xù)向滿足更高速率方向演進(jìn)升級。

  在此背景下，長光華芯單波100Gbps(PAM4調(diào)制)EML芯片的推出符合了市場對數(shù)據(jù)中心用光芯片的高要求，具有突出的商業(yè)價值。該芯片支持四個波長的粗波分復(fù)用(CWDM)，達(dá)到了使用4顆芯片實現(xiàn)400Gbps傳輸速率，或8顆芯片實現(xiàn)800Gbps傳輸速率的應(yīng)用目標(biāo)。

  芯片電吸收調(diào)制區(qū)調(diào)制速率達(dá)56GBd，可使用56GBd PAM4信號支持112Gb/s，具有閾值電流低、工作溫度范圍寬的優(yōu)點，符合RoHS標(biāo)準(zhǔn)和Telcordia GR-468標(biāo)準(zhǔn)，為當(dāng)前400G/800G超算數(shù)據(jù)中心互連光模塊的核心器件。

  可以說，該芯片的成功上市不僅完善了長光華芯產(chǎn)品鏈，為公司在高端光芯片市場競爭中占得一席之地，同時還使得國內(nèi)光通信廠商有了更優(yōu)質(zhì)的國產(chǎn)化新選擇，實現(xiàn)了對國家整體光芯片戰(zhàn)略的助推。

  放眼全球光芯片市場，我國當(dāng)前市場份額僅有13%，歐美日等國外光芯片企業(yè)技術(shù)起步早，通過不斷積累核心技術(shù)和生產(chǎn)工藝，逐步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)閉環(huán)，建立起了極高的行業(yè)壁壘。

  反觀國內(nèi)則起步較晚，我國25Gbps及以上高速率國產(chǎn)化則僅有5%左右，尤其在數(shù)據(jù)中心市場及高速EML激光器芯片等領(lǐng)域，國內(nèi)光模塊或光器件廠商仍需要依賴海外的高速率光芯片，僅少部分廠商實現(xiàn)批量發(fā)貨。

  為扭轉(zhuǎn)國內(nèi)光芯片產(chǎn)業(yè)困局，中國電子元件行業(yè)協(xié)會2017年發(fā)布了《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖(2018-2022年)》，文件明確指出我國廠商高端芯片能力比國際落后1-2代以上，且缺乏完整、穩(wěn)定的光芯片加工平臺和人才，導(dǎo)致芯片研發(fā)周期長、效率低，逐漸與國外的差距拉大，點明了我國光芯片產(chǎn)業(yè)當(dāng)前的重點是發(fā)展25Gb/s及以上速率激光器和探測器芯片。

  長光華芯此次推出的單波100Gbps(PAM4調(diào)制)EML芯片基本已經(jīng)達(dá)到了目前EML激光器芯片大規(guī)模商用的最高速率，切合了國家對高速率光芯片發(fā)展的戰(zhàn)略需求，不僅邁出了踏入高端光芯片市場的重要一步，有望打破國外多年來的壟斷，并且還為國內(nèi)人工智能發(fā)展不可或缺的底層數(shù)據(jù)體系提供助力。

  人工智能的最終落地離不開算力、存儲、網(wǎng)絡(luò)AI硬件這三大產(chǎn)業(yè)鏈的支撐，算力基礎(chǔ)設(shè)施的海量增長和升級換代必將成為人工智能未來的一大趨勢。以長光華芯為代表的光芯片廠商的崛起勢必將成為國內(nèi)AIGC商業(yè)化應(yīng)用加速落地的前提，推動著數(shù)據(jù)中心技術(shù)進(jìn)入一個巨大的變革時代。

  光學(xué)時代來臨，誰能手握入局門票

  回顧光芯片發(fā)展歷程，早在1969年，美國貝爾實驗室就率先提出了集成光學(xué)的概念，只不過由于種種原因，直到21世紀(jì)初，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)才開始重點發(fā)展硅芯片光學(xué)信號傳輸技術(shù)，寄希望于用光通路取代芯片之間的數(shù)據(jù)電路。

  因此，光子芯片技術(shù)在過去數(shù)十年內(nèi)迎來了一波技術(shù)爆炸，取得了許多進(jìn)展和突破，國內(nèi)企業(yè)紛紛打進(jìn)了光學(xué)時代競爭的資格賽。

  從2010年開始，長光華芯就已經(jīng)布局了磷化銦激光芯片產(chǎn)線，初期具備2.5G FP的批量出貨能力，同時又在2020年開展10G APD和L波段高功率EML的產(chǎn)品研發(fā)，全面建成了高速光通信芯片的研發(fā)生產(chǎn)產(chǎn)線，并在2022年實現(xiàn)10G產(chǎn)品的批量供貨。

  結(jié)合此次56G PAM4 EML芯片的發(fā)布，長光華芯已經(jīng)實現(xiàn)了在光通信領(lǐng)域的全面橫向擴(kuò)展，成為國內(nèi)光通信企業(yè)挺進(jìn)智能化時代的又一選手，為我國占領(lǐng)光電子技術(shù)制高點提供助力。

  那么，回到最初的問題，在智能化時代的大變革中，要如何不落人后?從歷史進(jìn)程來看，全球科技革命是沿著機(jī)械化、電氣化、信息化、智能化的演進(jìn)規(guī)律和邏輯在推進(jìn)的，所有能夠取勝的變革贏家遵循的不外乎是這一條法則：“誰能抓住一個時代的革命性技術(shù)，誰就能夠成為一個時代的領(lǐng)航者?！痹趧倓偲鸩降闹悄芑瘯r代，光子芯片很可能就是處理海量數(shù)據(jù)亟需的基礎(chǔ)構(gòu)件，將成為像集成電路一樣重要的時代證明。

  基于此，我們或許也可以大膽預(yù)測一下，在這一波即將顛覆世界科技格局的人工智能“游戲”中，如果誰能掌握住光子芯片這張入局的門票，誰或許就將成為真正的贏家，從而引領(lǐng)未來的“消費光子時代”。