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)都離不開強大的大型數(shù)據(jù)庫處理工具，這就要求計算機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。

  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，并認為以集成光路為核心的光子計算機的運算能力可以超過電子計算機百倍、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，光子脈沖可以達到fs量級(飛秒量級)，信息速率可以達到幾十個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，光子也具有極強的存儲和計算能力，能以光速進行超低能耗運算，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，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。

  芯片電吸收調(diào)制區(qū)調(diào)制速率達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標準和Telcordia GR-468標準，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世紀初，以Intel和IBM為首的企業(yè)與學(xué)術(shù)機構(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，取得了許多進展和突破，國內(nèi)企業(yè)紛紛打進了光學(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)域的全面橫向擴展，成為國內(nèi)光通信企業(yè)挺進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?從歷史進程來看，全球科技革命是沿著機械化、電氣化、信息化、智能化的演進規(guī)律和邏輯在推進的，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”。