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　　前沿產(chǎn)業(yè) | 光之魔力：光子學(xué)能否賦能下一代人工智能聊天機(jī)器人？
 
　　本文主要討論了光子學(xué)在支持下一代人工智能（AI）聊天機(jī)器人中的潛力。隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等應(yīng)用的快速發(fā)展，對(duì)處理算法和運(yùn)行模型的硬件提出了更高的要求。文章指出，傳統(tǒng)的銅連接已經(jīng)達(dá)到了帶寬限制，而光子集成電路（PICs）可以利用光的力量提供更高的性能和能源效率，并支持微型化。文章還討論了AI模型對(duì)硬件組件的巨大需求、數(shù)據(jù)中心能源消耗的問(wèn)題，以及使用光學(xué)互連解決數(shù)據(jù)中心帶寬需求的趨勢(shì)。此外，文章還提到了光子學(xué)在解決帶寬瓶頸和降低能源消耗方面的潛力，并介紹了一些正在開(kāi)發(fā)的光子技術(shù)和解決方案。總而言之，光子學(xué)以其光的速度提供更大的帶寬、更低的延遲和更低的功耗，有望在下一代數(shù)據(jù)中心和AI聊天機(jī)器人中發(fā)揮重要作用。
 
　　Keywords:  硅基光電子，AI，GPT，光子集成
 
　　您最近一定用過(guò)GPT。從寫(xiě)作論文和代碼到解釋復(fù)雜概念，ChatGPT的能力已經(jīng)令全世界驚嘆不已。這也是AI在我們智能一切的世界中變得更加易于接觸和普及的另一個(gè)例子。
 
　　隨著人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)等計(jì)算密集型應(yīng)用在我們的生活中越來(lái)越深入，考慮到支持這些創(chuàng)新的基礎(chǔ)設(shè)施是值得的。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這些應(yīng)用對(duì)處理算法、運(yùn)行模型和保持?jǐn)?shù)據(jù)流動(dòng)的硬件提出了高負(fù)荷要求。
 
　　
 
　　為了應(yīng)對(duì)AI、高性能計(jì)算和大數(shù)據(jù)分析等工作負(fù)載，勢(shì)必要涌現(xiàn)出高性能計(jì)算資源的超級(jí)規(guī)模數(shù)據(jù)中心。然而，傳統(tǒng)的將這些數(shù)據(jù)中心內(nèi)不同組件聯(lián)接在一起的銅互連，由于帶寬限制已經(jīng)顯得捉襟見(jiàn)肘。這就是光子集成電路（PIC）可以發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方。光子學(xué)不僅可以提供更高水平的性能，還可以提高能源效率，有助于最小化能源占用面積。
 
　　執(zhí)行AI模型的能源成本
 
　　ChatGPT的真實(shí)性在于其使用OpenAI的生成式預(yù)訓(xùn)練GPT-3自回歸語(yǔ)言模型，該模型使用深度學(xué)習(xí)生成文本。擁有1750億個(gè)參數(shù)的模型架構(gòu)超過(guò)了人腦的處理水平（相當(dāng)于1000億個(gè)參數(shù)的模型）。
 
　　像這樣的AI模型對(duì)處理它們的硬件組件（如內(nèi)存、GPU、CPU和加速器）提出了巨大要求。這需要具備大型GPU陣列和高帶寬光纖連接的硬件基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)執(zhí)行AI模型，但這一切都帶來(lái)了一些嚴(yán)重的能源（和成本）考慮。
 
　　
 
　　超級(jí)規(guī)模數(shù)據(jù)中心通常擁有至少5000個(gè)服務(wù)器，管理著100,000平方英尺以上的數(shù)據(jù)，并在短時(shí)間內(nèi)快速處理大量數(shù)據(jù)。然而，這種容量和能力所帶來(lái)的巨大能源代價(jià)是可觀的：根據(jù)國(guó)際能源署的一份報(bào)告，2021年數(shù)據(jù)中心的能耗量在220至330太瓦時(shí)（TWh）之間，約占全球最終電力需求的0.9%至1.3%。這比一些國(guó)家一年的能源消耗量還要多。
 
　　在許多數(shù)據(jù)中心中，硬件組件通常通過(guò)銅連接器連接，而中心之間的連接通常使用光纖?，F(xiàn)在，使用光學(xué) I/O（輸入/輸出）組件實(shí)現(xiàn)核心硅光子芯片技術(shù)，如交換機(jī)、CPU、GPU和芯片間互連，正迅速成為下一代數(shù)據(jù)中心不可避免的解決方案趨勢(shì)。利用光的特性，光子集成電路能夠?qū)崿F(xiàn)、擴(kuò)展和增加數(shù)據(jù)傳輸。
 
　　就物理學(xué)而言，沒(méi)有其他東西可以像光子學(xué)那樣提高帶寬和速度，同時(shí)降低延遲和能源消耗。這正是數(shù)據(jù)中心以及依賴(lài)于它們的AI聊天機(jī)器人所需要的。
 
　　QpiAI首席執(zhí)行官Nagendra Nagaraja最近表示：“在我們不斷探索各行各業(yè)最優(yōu)AI和量子系統(tǒng)的同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)了使用光子方案為帶寬和速度大幅度提升帶來(lái)的實(shí)際好處。Synopsys的光子學(xué)解決方案使我們的技術(shù)能夠享受光的速度，幫助我們的客戶(hù)提升業(yè)務(wù)成果。”
 
　　光子鏈路為分立數(shù)據(jù)中心提供支持
 
　　我們已經(jīng)看到數(shù)據(jù)中心架構(gòu)向分立化轉(zhuǎn)變，其中存儲(chǔ)、計(jì)算和網(wǎng)絡(luò)等同質(zhì)資源分別放置在不同的盒子中，并通過(guò)光學(xué)方式連接。這種架構(gòu)不浪費(fèi)任何資源；相反，中央智能單元確定并獲取來(lái)自每個(gè)盒子所需的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)光纖互連傳輸。剩余的資源可以用于其他工作負(fù)載。
 
　　除了在機(jī)架到機(jī)架、房間到房間和建筑到建筑的配置中使用之外，光纖互聯(lián)還可能在CPU和GPU級(jí)別上占據(jù)主導(dǎo)地位，并通過(guò)光信號(hào)處理數(shù)據(jù)I/O。
 
　　將許多并行和高速串行電氣I/O通道替換為具有光學(xué)高帶寬連接的光學(xué)級(jí)聯(lián)連接是驅(qū)動(dòng)近場(chǎng)光學(xué)技術(shù)需求的動(dòng)力，該技術(shù)使用主板上的高性能PCB基片（中間層），以及共封裝光學(xué)，即電子和光子芯片的單一封裝集成。
 
　　雖然光子學(xué)在短期內(nèi)可能不會(huì)取代傳統(tǒng)的電子半導(dǎo)體元件，但它們明顯在處理帶寬和延遲要求方面發(fā)揮重要作用。同時(shí)，正在進(jìn)行研究以了解光學(xué)領(lǐng)域的模擬和數(shù)字計(jì)算的價(jià)值。
 
　　解決帶寬限制
 
　　由于其高速數(shù)據(jù)傳輸和低能耗，顯然PIC能夠突破帶寬限制并減小能源影響。許多人預(yù)計(jì)，光子集成電路市場(chǎng)在未來(lái)十年內(nèi)將大幅增長(zhǎng)。
 
　　像LightMatter這樣的公司，擁有光子AI計(jì)算平臺(tái)，以及Ayar Labs，該公司開(kāi)發(fā)光纖互聯(lián)芯片組，都是在開(kāi)發(fā)新技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足帶寬需求并減小環(huán)境影響的前沿企業(yè)之一。此外，還有一些公司正在研發(fā)使用光子而不是電子作為算術(shù)核心的模擬和數(shù)字計(jì)算解決方案。
 
　　然而，PIC設(shè)計(jì)并不像設(shè)計(jì)傳統(tǒng)集成電路那樣直截了當(dāng)。這些電路的性能與材料有關(guān)，又與光學(xué)特性有關(guān)，而這些光學(xué)特性又與幾何形狀等有關(guān)。在這一領(lǐng)域取得成功需要對(duì)最新研究、工具和技術(shù)有所了解，并對(duì)量子和物理光學(xué)有深入的理解。
 
　　比如，Synopsys提供無(wú)縫的光子器件、系統(tǒng)和集成電路設(shè)計(jì)流程，旨在幫助眾多公司成功地進(jìn)行光子設(shè)計(jì)。他們還與主要晶圓廠密切合作，開(kāi)發(fā)流程設(shè)計(jì)工具，以簡(jiǎn)化PIC的開(kāi)發(fā)，并與政府部門(mén)合作進(jìn)行光子教育計(jì)劃。
 
　　從ChatGPT到物聯(lián)網(wǎng)等，未來(lái)十年，光子芯片顯然將成為數(shù)據(jù)和電信領(lǐng)域的首選。它們能夠以低熱效應(yīng)在寬帶寬上提供閃電般的速度，使其成為處理快速數(shù)字化社會(huì)日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求的最佳解決方案。這只是光子學(xué)的開(kāi)始。不斷增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)需求肯定會(huì)進(jìn)一步推動(dòng)它們的發(fā)展，從而導(dǎo)致新的用例和擴(kuò)大的市場(chǎng)，這些市場(chǎng)可能會(huì)在未來(lái)五年內(nèi)達(dá)到新的高度。
 
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