后摩爾時代，全世界的科學(xué)家們都在尋找新的計算體系和架構(gòu)來突破算力瓶頸。量子和光被寄予了厚望，并且在經(jīng)歷了數(shù)十年的實驗室研究和學(xué)術(shù)探討之后，終于開始接近成為一個商業(yè)命題。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

上個月底，美國光量子計算創(chuàng)企PsiQuantum宣布，已完成4.5億美元的D輪融資。由美國投資管理公司貝萊德（BlackRock）領(lǐng)投，微軟M12風(fēng)險投資基金等跟投。而在5月，PsiQuantum剛和晶圓廠Global Foundries宣布合作推出Q1量子系統(tǒng)，且雙方正在生產(chǎn)量子計算機(jī)部件和芯片。PsiQuantum稱，本輪融資將主要用于建造世界上第一臺具有商業(yè)可行性的量子計算機(jī)。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

中國資本也同樣開始關(guān)注這一領(lǐng)域。今年2月剛成立的圖靈量子團(tuán)隊，三個月后即宣布完成近億元人民幣天使輪融資，由聯(lián)想之星領(lǐng)投，中科神光、前?；?、源來資本、小苗朗程跟投。脫胎于上海交通大學(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心，圖靈量子的研究團(tuán)隊同時在光量子信息和光子芯片領(lǐng)域研究十余年。圖靈光子創(chuàng)始人、上海交通大學(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心主任金賢敏教授介紹，融資將主要用于光量子計算芯片以及光量子計算機(jī)的研發(fā)。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

基于光與量子的超越摩爾的漫長產(chǎn)業(yè)化征程也由此撕開了一道口子，而挑戰(zhàn)才剛剛開始。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

算力真正爆發(fā)的前夜：光與量子能帶來什么？快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

人工智能（AI）正在深入改變諸如智能駕駛、語音翻譯、新零售、醫(yī)療診斷等諸多領(lǐng)域，但計算速度、算力以及功耗問題正在成為AI進(jìn)一步發(fā)展的主要瓶頸。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

OpenAI發(fā)布的分析數(shù)據(jù)顯示，自2012年以來，AI訓(xùn)練對算力的需求每3.43個月翻一番。這一增速明顯快于摩爾定律——作為過去幾十年來統(tǒng)治計算的一個基準(zhǔn)法則，摩爾定律指出，微處理器芯片上的晶體管數(shù)每18-24個月翻一番。這意味著，基于馮·諾依曼架構(gòu)的電子計算機(jī)已無法滿足大數(shù)據(jù)時代對算力與功耗的要求。此外，隨著晶體管尺寸逼近物理尺寸極限，摩爾定律還將面臨散熱等無法克服的挑戰(zhàn)。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

近幾年，關(guān)于用量子和光學(xué)芯片加速AI的研究逐漸興起。“也許我們正處在計算能力真正爆發(fā)的前夜?！?/span>金賢敏對集微網(wǎng)指出，而提高算力的根本性對策在于提高運算速度和降低運算功耗。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

這一點上，光學(xué)將能讓計算機(jī)芯片設(shè)計克服電子學(xué)的根本局限，因為光子是當(dāng)前速度最快的粒子，相較電子，具有更速度、更低功耗以及低延時等特點，且不易受到溫度、電磁場和噪聲變化的影響，光子芯片因而也被包括金賢敏在內(nèi)的海內(nèi)外科學(xué)家視作最有可能替代電子芯片的未來基礎(chǔ)性核心技術(shù)，也是超越摩爾定律的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

與此同時，量子計算是后摩爾時代突破算力瓶頸另一項被寄予厚望的技術(shù)。相比之下，量子計算經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了比較成熟的理論體系。利用量子力學(xué)的反直覺特性，可以大幅加速某些類型的計算。這讓量子計算機(jī)在原理上具有超快的并行計算能力，可望通過特定算法在一些具有重大社會和經(jīng)濟(jì)價值的問題方面（如機(jī)器學(xué)習(xí)，密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計、藥物分析等）相比經(jīng)典計算機(jī)實現(xiàn)指數(shù)級別的加速。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

不過盡管優(yōu)勢眾多，但是過去很長一段時間，光學(xué)技術(shù)主要應(yīng)用于通信傳輸領(lǐng)域，借助光的更快速度、更高容量等特點實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，在計算領(lǐng)域則進(jìn)展緩慢。由于光計算的應(yīng)用場景不清晰，軟硬件體系也不夠完善，因而關(guān)于如何用光子代替電子芯片執(zhí)行計算的想法長期停留在研究階段。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

量子計算的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也面臨工程和材料上的難題。近年來全球?qū)α孔佑嬎愕耐度氤掷m(xù)上漲，據(jù)粗略統(tǒng)計，包括美國、英國、中國和德國在內(nèi)的各國政府合計已投入數(shù)十億美元以推進(jìn)量子研究。國外高科技企業(yè)如谷歌、IBM、微軟、英特爾等在量子計算技術(shù)方面投入了大量資源，在推動量子計算技術(shù)由基礎(chǔ)研究向工程化發(fā)展邁進(jìn)方面取得了顯著的成效，但目前量子計算機(jī)的研究還處于十分初級的階段。耶魯大學(xué)應(yīng)用物理教授Steven Girvin博士此前曾對集微網(wǎng)指出，量子計算機(jī)還處于普通電腦1940年的階段，相當(dāng)于“剛剛做出了真空管，或者剛剛發(fā)明晶體管這樣的階段”。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

光量子芯片或是通向大規(guī)模通用量子計算的最可行路徑 快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

如今，隨著以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算為主的AI應(yīng)用的普及，需要巨大數(shù)據(jù)計算量以及高計算速度的深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)應(yīng)用，將最有可能成為光計算以及量子計算的“殺手級應(yīng)用”。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

但是光與量子各自面臨著不同程度的產(chǎn)業(yè)化落地困境。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

構(gòu)建實用的光學(xué)計算機(jī)需要材料科學(xué)、光子學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域的研究人員之間的廣泛跨學(xué)科努力和合作。此外，盡管研究表明光子處理器具有較高的單位面積計算能力和潛在的可伸縮性，但是全光學(xué)計算規(guī)模（光學(xué)人工神經(jīng)元的數(shù)量）仍然很小。同時，由于存在固有地吸收光的計算元件，且電信號和光信號經(jīng)常需要轉(zhuǎn)換，去能量效率也同樣會受到限制。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

同樣的，量子計算機(jī)也還處在早期發(fā)展階段，目前主流的技術(shù)路徑有超導(dǎo)、半導(dǎo)、離子阱、光學(xué)以及量子拓?fù)溥@五個方向。金賢敏指出，而要實現(xiàn)通用的量子計算機(jī)有三個前提——百萬量子比特的操縱能力、低環(huán)境要求、高集成度。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

在這個意義上，光量子計算機(jī)與其他技術(shù)路線相比具有明顯的優(yōu)勢。而光量子路徑也是唯一能夠滿足這些條件的技術(shù)體系，是通向大規(guī)模通用量子計算的最可行路徑。金賢敏解釋，因為量子計算的實現(xiàn)，不能脫離現(xiàn)有大規(guī)模的半導(dǎo)體工藝。沿用成熟的CMOS半導(dǎo)體制程，光量子芯片可以實現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和制備。基于光量子芯片進(jìn)行的快速試錯和迭代，為構(gòu)建商用量子計算機(jī)提供了堅實的基礎(chǔ)。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

“可以說現(xiàn)在的光量子芯片，處于當(dāng)年電子芯片的仙童半導(dǎo)體時代。”金賢敏稱，當(dāng)前光量子芯片發(fā)展正處于類似當(dāng)年大規(guī)模集成電路發(fā)展初期的關(guān)鍵節(jié)點，即將爆發(fā)的關(guān)鍵前期節(jié)點。而從全球來看，目前各國在量子與光子計算領(lǐng)域均未形成絕對優(yōu)勢，現(xiàn)階段各國研發(fā)基本處于同一起跑線，對于國內(nèi)產(chǎn)業(yè)界來說具備換道超車的重大戰(zhàn)略機(jī)遇。金賢敏進(jìn)一步解釋，目前這個領(lǐng)域還處于剛剛起步階段，還不夠大，不像電子芯片那么細(xì)化，“現(xiàn)在我們一個團(tuán)隊就可以把目前光子芯片設(shè)計的EDA軟件搞定?！?span style="font-family: "Microsoft YaHei UI"; letter-spacing: 0px; font-size: 12px; color: rgb(255, 255, 255);">快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

集微網(wǎng)了解到，圖靈量子團(tuán)隊目前已掌握了自主知識產(chǎn)權(quán)的三維和超高速光子芯片核心技術(shù)與工藝，從設(shè)計、流片到封裝測試，再到系統(tǒng)集成和量子算法，可實現(xiàn)光量子計算芯片的全鏈條研發(fā)。目前，已有大量的量子算法內(nèi)核在光量子計算芯片上得到了實現(xiàn)。金賢敏稱，基于底層技術(shù)的相通性，未來將實現(xiàn)與光有關(guān)的技術(shù)全覆蓋。其中光子芯片技術(shù)，在獲得規(guī)?；逃煤笥型梢越鉀Q我國芯片“卡脖子”的難題，擺脫受制于關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備的困境。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

超越摩爾之路：未來是“架構(gòu)為王”的時代  快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

在后摩爾時代的突破算力瓶頸的探尋之路上，金賢敏認(rèn)為，未來一定是“構(gòu)架為王”的時代，光量子芯片憑借全新的構(gòu)架和大算力等特點，有望創(chuàng)造全新的機(jī)會。在他看來，隨著量子計算技術(shù)和光量子集成能力持續(xù)演進(jìn)，混合光量子計算架構(gòu)、光子計算，以及人工智能光子處理器會展現(xiàn)出巨大潛能。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

此外，另一個研究途徑是發(fā)展先進(jìn)的非線性集成光子計算體系結(jié)構(gòu)，即通過將電子電路和數(shù)千或數(shù)百萬個光子處理器集成到合適的體系結(jié)構(gòu)中，同時利用光子和電子處理器的混合光電框架可能在不久的將來，帶給AI硬件革命性的變化。這些硬件將在通信、數(shù)據(jù)中心操作和云計算等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

不管哪一種技術(shù)路徑，架構(gòu)創(chuàng)新成為未來計算創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動力已經(jīng)成為業(yè)界共識。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

比如英特爾近年來一直在推進(jìn)的XPU戰(zhàn)略，就是用不同的架構(gòu)去處理不同類型的數(shù)據(jù)，根據(jù)處理速度和帶寬的不同要求去優(yōu)化。其中，CPU適宜處理標(biāo)量架構(gòu)，GPU則適宜處理矢量運算，AI則更多是塊狀運算，F(xiàn)PGA則適合做一些稀疏的運算，可以大幅度降低I/O以及計算的消耗?！鞍阉鼈冋掀饋砭湍芨魅∷?，打組合拳會好過只用一種武器去解決所有問題?！痹诮衲晔澜缛斯ぶ悄艽髸陂g，英特爾研究院副總裁、英特爾中國研究院院長宋繼強(qiáng)指出，他還特別介紹了集成光電的創(chuàng)新路徑，認(rèn)為光是替代銅的非常好的互聯(lián)介質(zhì)替代品。而針對光本身的一些問題，如光的器件都比較大，光和電之間的轉(zhuǎn)換也比較困難且效率不高。而英特爾正在從幾個方面解決這一問題。首先是把光器件與電器件緊密封裝在一起，減少兩端轉(zhuǎn)換的損耗；其次是制作出收發(fā)器，以更小的模式放到服務(wù)器當(dāng)中，比如硅光產(chǎn)生、光的發(fā)射、調(diào)制，接收端的檢測、放大等光處理的中間過程的幾個模塊做成非常小的模塊，可以和CMOS光處理器件整合到一個芯片中，這樣集成的光電可以大幅度縮小系統(tǒng)的尺寸和功耗。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP 快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP

超越摩爾的探索之路剛剛開始，但無論是傳統(tǒng)電子芯片，還是未來的光與量子，都需要經(jīng)過一個漫長的技術(shù)積累的過程。在傳統(tǒng)電子芯片時代，國外巨頭們正是通過漫長的技術(shù)迭代，通過產(chǎn)業(yè)落地和應(yīng)用的規(guī)?；?，誕生了一個又一個“偉大的科技公司”。同理，在未來的光與量子計算的領(lǐng)域，也必將經(jīng)歷這樣一個過程。快速退火爐,RTA,RTP,快速退火爐RTP