ChatGPT是今年的大熱點，尤其是GPT-4幾乎讓全球用戶都為之驚嘆。ChatGPT生成的文字不僅十分接近人類的表達方式，它還能撰寫文章、編寫代碼、解釋復雜的概念等等。AI正在以一種零基礎入門的使用方式逐漸融入我們的日常生活。

AI和ML等計算密集型應用會產(chǎn)生龐大的計算工作負載，導致功耗巨大，因此對處理算法、運行模型和負責數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠布岢隽烁叩囊?。?a target="_blank">開發(fā)者來說，驚嘆于ChatGPT的強大之余，我們也更關(guān)注此類應用是如何實現(xiàn)如此快速實時的對話并給出高分答案的。

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心是目前處理AI、高性能計算、大數(shù)據(jù)分析等高強度工作負載的普遍選擇，但此類數(shù)據(jù)中心內(nèi)多采用傳統(tǒng)的銅互連方式來連接不同組件，面對高帶寬需求時略顯局促。

光子集成電路（PIC）能夠利用光的優(yōu)勢在這一領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本文我們將共同探討光電子技術(shù)如何優(yōu)化性能、提高效率、助力設備微型化。

01運行AI模型的能耗巨大

ChatGPT使用了OpenAI的生成式預訓練Transformer 3（GPT-3）技術(shù)，這一自回歸語言模型利用深度學習生成文本，該模型具有1,750億個參數(shù)，人腦相當于具有1,000億個參數(shù)的模型，所以Transformer 3架構(gòu)的處理水平超越了人腦。

這樣的AI模型對內(nèi)存、GPU、CPU、加速器等硬件組件提出了極高的要求。運行AI模型需要大規(guī)模GPU陣列、高帶寬光連接等硬件基礎。

超大規(guī)模數(shù)據(jù)中心通常占地面積達數(shù)十萬平方英尺，擁有5,000余臺服務器，管理著petabytes級的數(shù)據(jù)，能夠高效、快速處理海量數(shù)據(jù)。然而，這種規(guī)模的容量和功能也帶來了巨大的能耗壓力：國際能源署的數(shù)據(jù)顯示，2021年，數(shù)據(jù)中心的能源用量在220至330太瓦時（TWh）之間，約占全球最終電力需求的0.9%至1.3%，甚至超過了一些國家或地區(qū)全年的能耗。

許多數(shù)據(jù)中心的硬件組件通常以銅互連方式連接，而中心內(nèi)各機架之間則往往使用光纖連接。如今，短距離光連接技術(shù)已經(jīng)發(fā)展至爆發(fā)點，使用光電子技術(shù)的光學I/O完成交換機、CPU、GPU等核心芯片的互連以及Die-to-Die互連，正在迅速崛起成為下一代數(shù)據(jù)中心不可或缺的解決方案。利用光的特性，光子集成電路可以實現(xiàn)和擴展數(shù)據(jù)傳輸并提高傳輸效率。從物理學角度看，光電子技術(shù)在提高帶寬和速度、降低延遲和功耗方面遙遙領(lǐng)先，完全可以滿足數(shù)據(jù)中心以及AI聊天機器人的需求。

“我們致力于為醫(yī)療保健、金融、工業(yè)等行業(yè)打造優(yōu)化的AI和量子系統(tǒng)，在這一過程中，光電子技術(shù)可大幅提升帶寬和速度，我們體驗到了其優(yōu)勢所在。新思科技的光電子技術(shù)解決方案使我們以光速注入我們的技術(shù)，幫助客戶提升業(yè)務成果?！?/p>

Nagendra Nagaraja博士

QpiAI創(chuàng)始人兼首席執(zhí)行官

02光電子技術(shù)：分散式數(shù)據(jù)中心的光學高速線路

目前，數(shù)據(jù)中心架構(gòu)正轉(zhuǎn)向分散式設計，將存儲、計算和網(wǎng)絡等同質(zhì)資源分別置于不同模塊，并以光學方式進行連接。這種架構(gòu)不會造成資源浪費，中央智能單元負責確定并從每個模塊獲取所需的數(shù)據(jù)，然后通過光互連傳輸數(shù)據(jù)，而其余資源可用于處理其他工作負載。

除機架、房間和建筑間的配置外，光互連還有望成為CPU和GPU級別的主要連接方式，并通過光信號處理數(shù)據(jù)I/O。人們希望能夠以高帶寬光連接取代許多并行和高速串行電氣I/O通道，這推升了對近封裝光學器件和共封裝光學器件的需求。其中，近封裝光學器件在主控板上使用高性能PCB基板（中介層），而共封裝光學器件則將電芯片和光芯片集成在單個封裝中。雖然光電子技術(shù)在短期內(nèi)不太可能完全取代傳統(tǒng)的電子半導體組件，但其顯然能夠有效滿足帶寬和延遲要求。同時，人們正在研究模擬和數(shù)字計算在光學領(lǐng)域中的價值。

03光電子技術(shù)：利用光速突破帶寬壁壘

Future Market Insights的數(shù)據(jù)顯示，2022年至2032年，PIC市場的年復合增長率將達到21.5%。顯然，憑借高速數(shù)據(jù)傳輸和低能耗特性，PIC開辟了一條新途徑，能夠幫助開發(fā)者突破帶寬障礙并盡可能降低能耗。

一些公司積極開發(fā)新技術(shù)以滿足帶寬需求并降低環(huán)境影響，走在行業(yè)發(fā)展前沿，比如推出了光電子AI計算平臺的LightMatter和開發(fā)了光互連小芯片的Ayar Labs。此外，還有一些公司正在設計使用光子而非電子作為算法核心的模擬和數(shù)字計算解決方案。光電子技術(shù)領(lǐng)域正在迎來持續(xù)的創(chuàng)新發(fā)展。

然而，PIC設計并不像傳統(tǒng)IC設計那樣簡單直接，其電路的性能同材料和光學特性密切相關(guān)，而光學特性又與幾何形狀有關(guān)。要想取得成功，需要了解最新的研究成果、工具和技術(shù)，并熟練掌握量子光學和物理光學的相關(guān)知識。

新思科技是業(yè)界唯一提供光電子器件、系統(tǒng)和IC無縫設計流程的公司，助力開發(fā)者成功完成光電子設計。新思科技還與各大代工廠密切合作，攜手推出簡化PIC開發(fā)的工藝設計套件（PDK），同時與政府組織合作開展光電子技術(shù)教育項目。新思科技大力投資技術(shù)，與瞻博網(wǎng)絡合資成立OpenLight，推出全球首個集成激光器的開放式硅光子平臺。

從ChatGPT到物聯(lián)網(wǎng)，高帶寬應用催生了對更高數(shù)據(jù)傳輸速度的需求?；诠怆娮蛹夹g(shù)的芯片應運而生，利用光的速度提供更高的帶寬、更低的延遲和更低的功耗。隨著光子IC的持續(xù)發(fā)展，電子行業(yè)必將迎接光明的未來。

審核編輯：湯梓紅