从光子芯片到类脑芯片 中国“芯”助跑人工智能

发稿时间:2019-10-23 13:03:19 来源:匿名

[编者注]

从三国的“木牛马”到现代的自动驾驶,让“东西”拥有某些人的智能一直是人类的梦想。

近年来,中国在人工智能的各个领域都做出了很大努力。以机器人为例,《2019年中国机器人产业发展报告》显示,今年中国机器人市场规模预计将达到86.8亿美元,2014年至2019年平均增长率为20.9%。

人工智能的发展离不开计算能力的飞跃。芯片是计算机的大脑。目前,中国许多团队正在突破各种芯片,在人工智能的竞争中生存。

[长篇报告]

2008年,白冰来到北京理工大学学习光电子学。

当时,围棋的“人机大战”还有很多年。自动驾驶汽车没有在亦庄路测试,人工智能仍处于初级阶段。

经过两年的本科学习,白冰转到澳大利亚国立大学物理和光学专业,并在澳大利亚完成了硕士学位。2014年,25岁的白冰完成了他在国外的四年学习,并返回攻读博士学位。“那时,我经常参加各种学术会议,和志同道合的人交朋友。我还了解整个芯片行业的上下游各种企业。”

2017年,白冰创办了自己的企业,并组建了世界上第二个光子人工智能芯片研究团队。他们制造的光子芯片——硅光学人工智能芯片有望摆脱对国外高工艺光刻机的依赖,成为中国芯片领域变道赶超的核心技术。

这是中国核心竞争力的缩影。

随着芯片越来越多、越来越强、越来越广泛的使用,人工智能产业得到了蓬勃发展。根据《2019-2020年中国人工智能计算能力发展评价报告》,围绕北京、天津、河北、长江三角洲和大湾区三大经济圈形成的三大人工智能产业集群已经初具规模。

白冰和他的团队设计并制造了硅光学人工智能芯片。摄影/新京报记者王桂彬

“光子芯片”——让光提供计算能力

我们的世界充满了光明。

每个人都可以理解光被用作传输信号来将光转换成能量,但是当涉及到提供计算能力时,许多人都感到困惑。

光子芯片能够“曝光”,是白冰和他的团队致力于研发的领域。

目前,工业上使用的芯片一般是电子芯片(半导体芯片),即超大规模集成电路,在一个芯片上有数百万个晶体管。然而,光子芯片上有无数的光开关,它们使用不同波长、相位和强度的光组合进行信息处理。

“对于光来说,传输就是计算。例如,如果光线通过透镜折射,你可以看到另一端的物体通过透镜变形。当图像转移到眼睛上时,镜头会改变图像。这是一个计算过程。”白冰说。

白冰和创业团队在光通信方面有很多背景。白冰对于用光进行计算的想法感到非常自然,“技术已经达到这个水平”。这也是他们团队的优势,因为许多现成的光学元件可以直接使用。

光子芯片是如何建立在人工智能之上的?白冰解释说,如果芯片运行速度非常快并且省电,那么芯片的物理结构必须与软件高度匹配才能实现高效率。目前,人脸识别、自动驾驶、安全监控、人工智能金融、人工智能医疗等功能都依赖人工智能算法。一个可以匹配算法的芯片是人工智能芯片。

人工智能的实现需要大量的线性计算,而光子芯片本身就适合线性计算——算法高度匹配,计算速度高于普通电子芯片。“光学计算芯片一直存在于实验室中,但长期以来没有好的应用场景,也不能应用于地面。人工智能的发展给光子芯片提供了一个使用的地方。”白冰说。

2017年年中,白冰和团队有了成熟的想法,开始绘画和设计。

"这个设计花了几个月的时间,芯片是在2018年初制造的."白冰说,芯片的设计、加工、封装和测试都是在中国完成的,最初他自己掏钱花了将近一百万元。

他们制作的硅光学人工智能芯片采用国产130纳米微电子工艺,工艺过程公差高,摆脱了对国外高工艺光刻机的依赖。许多国内制造商可以做到这一点。"光子芯片可以说是中国芯片领域变道超车的核心技术."

尽管不需要最新的技术,光子芯片的性能并不逊色。

“光子芯片可以提供电子芯片10倍以上的计算能力,”白冰说。

2018年,白冰和他的团队在北京举办的国家双创新周的主会场拿出了硅人工智能芯片的样本,吸引了很多人停下来。在当年第四届中国“互联网”大学生创新创业大赛决赛中,白冰作为创业项目“光子人工智能芯片”的负责人参加了比赛并获得银牌。

今天,他们在中关村国防科学园有了自己的办公室,并建立了一个超级干净的实验室。光子人工智能芯片项目也成功签订了在顺义落户的合同。根据白冰的想象,未来的光子芯片主要是针对人工智能领域的应用和发展。目前,光子人工智能芯片的产品主要集中在云中,并将被推向设备端。

白冰正在超净实验室运行半自动芯片测试平台。

摄影/新京报记者王桂彬

智慧城市的“大脑”

功耗是光子芯片的另一个卖点。光子芯片在性能/功耗比和每美元计算能力方面比电子芯片更有优势。

“电子芯片的功耗比已经达到了瓶颈,但是光子芯片的性能还远远没有达到顶峰。我们希望能有更多的资源来优化光子芯片的性能。”白冰说,光子人工智能芯片的功耗仅为电子芯片的十分之一,能效比可以达到10 t/w

中国科学院上海微系统研究所所长助理习覃表示,集成电路的发展已经到了极限,硅光集成可以将成本降低到十分之一甚至更低,因为硅光集成是用光来代替原来的电能进行传输的。

不久前,国内三大运营商购买了用于功耗测试的光子芯片。光子芯片有望在未来智能城市建设中发挥作用。

“智能城市需要建造大量‘智能大脑’作为信息处理中心,然后通过5g传输计算能力。光子芯片可以用作“智能大脑”的面板,以降低能耗。”

白冰表示,光子芯片还可以广泛应用于自动驾驶、智能机器人、工业物联网等领域。

在下一步,白冰团队将提供基于硬件的底层工具。希望国内大学、研究所和企业共同参与,建立一个完整的光子芯片生态系统。

许多学院和大学正在应对光子芯片领域的严峻挑战。在今年第五期《半导体杂志》上,北京大学物理学院的研究员陈建军介绍说,光子芯片技术的逐渐成熟必将导致光信息技术领域的另一场革命,这将带来通信、医疗、计算、国防、能源等领域的颠覆性创新。

白冰和他的团队设计了一个硅光学人工智能芯片测试系统。摄影/新京报记者王桂彬

“井喷”人工智能芯片

光子芯片并不是唯一能够实现人工智能的芯片。

在过去的两年里,许多企业已经引进了其他种类的人工智能芯片。

例如,清微智能开发的可重构芯片可以在超低功耗下实现人脸识别。

可重构性是清微智能的核心技术。首席技术官欧阳鹏解释说,所谓的可重构意味着整个电路没有“死”。例如,人脸检测和语音识别是两种应用和两种算法,对应于两种不同的电路。“只需切换一个芯片,就可以将这两个不同的电路从一个电路切换到另一个电路。实施这项技术有许多困难,例如如何使电路切换更有效,需要很长时间才能实现相对稳定。”

在集成内存和计算芯片领域,也有团队在努力工作。

智春科技是中国唯一一家应用存储和计算一体化技术的公司。工作人员易景刚解释说,由于存储和计算是分开的,当数据交互时会产生大量的数据吞吐量。随着用户对视频、语音等应用需求的不断增长,数据吞吐率已经成为技术发展的瓶颈。这是一种尽可能集成计算和存储的解决方案。以智能耳机为例。经过训练,芯片可以学习关键词,如音量增加,音量降低,前一首歌,下一首歌,启动,关机等。由于采用神经网络计算方式,匹配度极高。

易靖刚表示,目前人工智能有几个主流分支,其中最重要的是神经网络计算,它是通过连续迭代和推理过程完成的。许多大公司都在这样做,但是他们需要云服务。“我们的这一产品将云放在端点一侧来解决问题,而神经网络学习和计算中最复杂和最昂贵的部分是通过存储和计算集成芯片来完成的。”

北京林西科技制造的自行车用成排的电线包裹,并与各种传感器相连。自行车后座上的芯片叫做大脑样芯片。依靠芯片,自行车可以在人后面跑,前面有障碍物,自行车也可以绕过去。自行车还可以进行语音识别、转向、加速等操作。

“自行车只是一种载体,核心技术是像大脑一样的芯片。汽车本身的成本是40万元,而芯片的开发成本超过1亿元。”北京凌溪科技公司副总经理迪美表示。

上个月,清华大学发布了世界上第一个异种融合大脑芯片,该芯片登在《自然》杂志的封面上。事实上,这个芯片在双创周已经出现过很多次了。

实验者展示了硅光学人工智能芯片的光电混合封装。摄影/新京报记者王桂彬

中国有望形成三大人工智能产业集群

中国芯片产业起源于20世纪50年代。1953年,苏联援助的北京电子管厂开业,曾是亚洲最大的晶体管厂。

最早,我们走上了自主研发的道路。尽管面临国际技术封锁,我们并没有落后太多,但在随后世界芯片产业快速发展的时期,差距迅速扩大。

1977年,全国600多家半导体制造厂一年内生产的集成电路总数仅为日本一家大型工厂月产量的十分之一。

吸取惨痛经验后,中国先后推出了“909工程”、“国产高性能soc芯片”、“龙芯2增强型处理器芯片设计”等课题。

2014年,为促进集成电路产业发展,设立了总额超过1200亿元的国家集成电路产业投资基金。

如今,以光子芯片为代表的“中国核”正受到更多关注。

2017年底,工业和信息化部发布的中国光电器件产业技术发展路线图(2018-2022)披露,高速光子芯片的定位率仅为3%左右,并设定了2022年低端光子芯片定位率超过60%,高端光子芯片定位率20%的目标。

在北京,芯片等高新技术正在引领行业转型升级。一些芯片公司开始在国内甚至国际市场出现。

中国第一家碳化硅芯片公司总经理陈彤表示,半导体技术已经发展了近半个世纪,在过去几年里遇到了全方位的瓶颈。“现在用新的复合材料代替原来的硅材料,以便为用户提供更高性能的芯片。这是近年来全球技术升级的趋势。这一新趋势为国内新企业和新供应商进入这一高端产业提供了机会,而这一高端产业往往被大型外国企业垄断和封锁。”

陈彤认为,芯片行业的竞争没有国界,只有质量、服务和技术,没有捷径可走。他的企业花了两亿多元来夺取桥头堡。“这条生产线需要两三年的时间才能建成,另外五六年才能投产。”陈彤说。

由于芯片产业的坚实基础,中国的人工智能产业发展迅速。

2019年中国人工智能计算大会发布的《2019-2020年中国人工智能计算能力发展评价报告》提到,围绕北京、天津、河北、长江三角洲和大湾区三大经济圈形成的三大人工智能产业集群已经初具规模。

城市正在不同领域做出努力。

北京市经济和信息局局长王刚此前透露,北京正在制定创新和发展北京机器人产业的行动计划,或将为医疗卫生机器人、特种机器人、合作机器人、存储机器人和关键部件构建一个4 1产业发展模式。到2021年,将培育3-5家子行业龙头企业,机器人及相关行业收入超过120亿元。

上海已经开始光子芯片的布局。2017年,硅光子将被纳入第一批重大市政工程。计划到2021年建立国家硅光子芯片研发和中试基地。到2025年,大规模生产平台将实现芯片批量供应,成为国际知名的硅光子研发制造基地。

在珠江三角洲,以广州市南沙区为例,建立了人工智能研究所,启动了产业基金,建设了人工智能工业园。广州南沙人工智能产业发展三年行动计划(2018-2020)提出到2020年建立国际领先的人工智能产业集聚区,形成一批具有活力和可持续发展的“人工智能”新兴产业。

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小组和专家咨询小组成立,以促进标准化。今年4月,召开了全国人工智能标准化总组第二次全体会议,发布了人工智能开源标准化和人工智能伦理风险分析的研究成果。《国家新一代人工智能标准体系建设指南》也进入了修订和完善阶段。

光子算术小组的创始人白冰。受访者提供了照片。

[参与者说]

光子算术团队创始人白冰:硅ai芯片可以逐步取代进口高端芯片

中国微电子技术与国外至少有三代人的差距,这直接导致国内市场份额低、高端人工智能芯片严重依赖进口等局面。

2017年,我们的几名医生聚在一起,开始研究光子芯片。这项工作涉及许多领域的深度交叉整合。当时,北京的主要大学基本聚集,学科覆盖从软到硬。

从学术讨论到产业化,我们逐步探索了一种新技术——硅光学人工智能芯片。

近年来,人工智能产业高速发展。使用单一的电子技术已经不能满足当前人工智能芯片性能的需要,这也限制了人工智能产业的登陆和发展。硅光电芯片集成了人工智能、光电集成、微电子等多个领域的技术创新,采用国内成熟的硅基集成光电技术完成。在摆脱对国外先进工艺光刻机的依赖的同时,光子技术被引入传统微电子芯片架构,为下一代高性能、低功耗的人工智能芯片开辟了道路。加快人工智能产业的落地,扭转中国在高端芯片领域受制于人的局面,意义重大。

硅人工智能芯片的研发和落地将掀起新一轮技术和产业革命,自下而上改变国内人工智能产业的生态环境,推动以“高端芯片国内可控性”为标志的新一轮技术和产业革命。

2015年,《自然》报道了世界上第一台光电混合集成cpu。基于光电集成技术,7000万个晶体管和850个光学元件集成在同一衬底上。这是从传统电子架构向光电异构过渡的开始,带来了一种全新的计算形式。2018年底,北京交通大学科研团队成功展示了基于光子神经网络的人工智能计算任务,完成了中国所有芯片相关的准备和封装工作。

从产品替代的角度来看,硅光学人工智能芯片可以逐步取代进口高端人工智能芯片。

具体来说,硅光学人工智能芯片在电子技术的基础上引入光子技术,以光学手段弥补和提高高加工技术下人工智能芯片的性能,从而与进口低加工芯片相抗衡,从而极大地动摇了进口高端人工智能芯片在中国的垄断地位。

[关于同一主题的问答]

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(光子算术团队创始人):实现人工智能一直是人类的愿望。长期以来,各种机器人出现在科幻作品中。

从新中国成立70周年的跨度来看,人工智能从未出现过,只是在21世纪才实现了跨越式发展。光和人工智能的“相遇”只是在最近几年才开始。我国硅光学芯片的研发始于2004年。此后,在整个产业链中,在设计、制造、密封测试、软件工具等方面都取得了快速发展,并逐渐成为一个有前途的行业。

近年来,全国和北京对双创给予了很多政策。我在博士生时就开始创业了,我在双创周的露面引起了一些关注。在我看来,新中国成立70周年之际,除了技术已经演变成人工智能时代之外,创新创业的良好政策也激励了许多企业家,让我坚信光子芯片可以在人工智能时代大放异彩。

新京报记者李玉坤与记者王桂彬合作

编辑张畅校对贾宁富春

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