Lightmatter | 光子技術(shù)與人工超級(jí)智能的道路

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言
4 O% x6 R/ z3 K8 V  H9 Q3 p. K隨著傳統(tǒng)硅基處理器接近其極限，開發(fā)創(chuàng)新解決方案以推動(dòng)下一代人工智能(AI)發(fā)展變得越發(fā)重要。本文探討了當(dāng)前計(jì)算范式面臨的挑戰(zhàn)，并介紹光子技術(shù)作為有望克服這些限制并為人工超級(jí)智能(Artificial Super Intelligence，ASI)創(chuàng)造條件的新興技術(shù)[1]。

: _% g+ v  w! _) U' c9 G摩爾定律的終結(jié)與新挑戰(zhàn)的興起
近五十年來(lái)，摩爾定律一直是推動(dòng)計(jì)算進(jìn)步的主要?jiǎng)恿Α＿@一原理指出，微芯片上的晶體管數(shù)量大約每?jī)赡攴�一番，支撐了�?jì)算系統(tǒng)日益增長(zhǎng)的復(fù)雜性和性能。然而，隨著不斷逼近硅晶體管的基本物理極限，摩爾定律已不再適用。

傳統(tǒng)硅基計(jì)算進(jìn)展的放緩帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)，特別是在AI應(yīng)用對(duì)更強(qiáng)大計(jì)算能力需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)的情況下。需求與能力之間的這種不匹配促使研究人員和工程師探索替代技術(shù)和方法，以保持創(chuàng)新步伐。
; I3 l( K2 P/ U) h2 I8 {) [
$ H; d" Y. M* u' x1 O9 a+ i圖1展示了NVIDIA GPU和Intel Xeon CPU的硅芯片面積增長(zhǎng)，說(shuō)明了芯片尺寸隨時(shí)間呈指數(shù)增長(zhǎng)。
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上圖展示了NVIDIA GPU和Intel Xeon CPU的硅芯片面積增長(zhǎng)。芯片尺寸的指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)直接反映了為保持性能提升而需要在單個(gè)芯片上集成更多晶體管的趨勢(shì)。然而，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，這種方法難以持續(xù)，因?yàn)槲覀冋�接近芯片制造技術(shù)的物理極限。

0 R# `" h5 k0 b  x8 X光子技術(shù)
隨著傳統(tǒng)計(jì)算方法逼近極限，光子技術(shù)成為滿足我們計(jì)算需求的有望解決方案。光子技術(shù)利用光而非電信號(hào)傳輸和處理數(shù)據(jù)。相比傳統(tǒng)電子技術(shù)，這種技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

更高速度：光傳播速度快于電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)更快的數(shù)據(jù)傳輸和處理。

更低功耗：光子系統(tǒng)能效可能高于電子系統(tǒng)。

更大帶寬：基于光的系統(tǒng)可同時(shí)傳輸更多信息，提高整體系統(tǒng)容量。

信號(hào)衰減減少：與電信號(hào)相比，光信號(hào)在長(zhǎng)距離傳輸中衰減較小。
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這些優(yōu)勢(shì)使光子技術(shù)成為滿足AI日益增長(zhǎng)的需求并可能促進(jìn)ASI發(fā)展的極具吸引力的選擇。
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最大尺寸芯片的興起
8 ~* ]) W3 ]' m+ P隨著摩爾定律放緩，業(yè)界正轉(zhuǎn)向創(chuàng)造更大、更強(qiáng)大的芯片以滿足性能要求。這一趨勢(shì)正引領(lǐng)我們走向所謂的"最大尺寸芯片"甚至"晶圓級(jí)"計(jì)算。

圖2描繪了從2000年到2030年預(yù)計(jì)的全球300毫米晶圓產(chǎn)量，顯示了晶圓產(chǎn)量可能大幅增加以滿足不斷增長(zhǎng)的需求。

: N+ ]1 V3 N! g. H: E: ]上圖說(shuō)明了全球300毫米晶圓產(chǎn)量的預(yù)計(jì)增長(zhǎng)。隨著每個(gè)封裝中的硅面積呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)以滿足AI性能路線圖的要求，我們可能會(huì)看到晶圓產(chǎn)量顯著增加。這一趨勢(shì)凸顯了業(yè)界為彌補(bǔ)摩爾定律放緩而推動(dòng)更大、更強(qiáng)大芯片的努力。
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& N4 r# x6 w- kCerebras和Tesla已經(jīng)在開發(fā)晶圓級(jí)引擎，推動(dòng)當(dāng)前制造技術(shù)的極限。隨著我們接近硅基技術(shù)的極限，關(guān)注點(diǎn)正在轉(zhuǎn)向優(yōu)化互連和探索新材料與架構(gòu)。

+ j! }! c% ~4 y8 A$ P& o& o4 l互連挑戰(zhàn)與解決方案
# O3 `2 L8 B3 B8 N5 K& n& K% a隨著向更大的芯片和更復(fù)雜的AI系統(tǒng)邁進(jìn)，高效連接這些組件的挑戰(zhàn)變得尤為重要。AI超級(jí)計(jì)算機(jī)中所需的互連數(shù)量隨處理單元(XPU)數(shù)量的增加而迅速增長(zhǎng)。

# Y9 ~' _; b. T+ v圖3可視化了不同的互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�，展示了光子鏈路�?shù)量如何隨集群大小和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而變化。

上圖展示了各種互連網(wǎng)絡(luò)拓?fù)�。拓�(fù)溥x擇顯著影響AI工作負(fù)載的性能，并決定了每個(gè)處理單元所需的互連數(shù)量。隨著集群規(guī)模增大，這些互連的復(fù)雜性也隨之增加。
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4 P2 ?; w. \+ ^6 ]( a! R圖4說(shuō)明不同互連拓?fù)渲忻總�(gè)GPU的互連數(shù)量，展示了互連需求如何隨集群大小增加而擴(kuò)展。
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9 E4 a4 a. ^$ S2 B, T/ [& g" o( s該圖進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了集群大小與互連需求之間的關(guān)系。無(wú)論選擇何種拓?fù)洌�互連數(shù)量都隨集群大小增長(zhǎng)，通常超過(guò)GPU數(shù)量本身的增長(zhǎng)。
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Lightmatter的Passage技術(shù)
認(rèn)識(shí)到傳統(tǒng)計(jì)算架構(gòu)的局限性，像Lightmatter這樣的公司正在開發(fā)創(chuàng)新解決方案來(lái)應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。Lightmatter的Passage技術(shù)利用光子技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)新的計(jì)算機(jī)芯片組裝平臺(tái)，并管理先進(jìn)AI系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)移動(dòng)。
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圖5描繪了由Lightmatter技術(shù)支持的數(shù)據(jù)中心，展示了整個(gè)設(shè)施如何作為一個(gè)單一、統(tǒng)一的計(jì)算機(jī)運(yùn)作，以最大化大型AI模型訓(xùn)練的性能。

上圖說(shuō)明了Lightmatter支持的數(shù)據(jù)中心概念。與孤立的計(jì)算島不同，整個(gè)數(shù)據(jù)中心作為一個(gè)巨大的計(jì)算機(jī)運(yùn)作。這種方法最大化了訓(xùn)練最大AI模型的計(jì)算性能，可能為ASI的發(fā)展創(chuàng)造條件。

% J  e' N+ D1 B# `1 j: `6 E& H3 QPassage技術(shù)支持當(dāng)前芯片尺寸和未來(lái)的晶圓級(jí)芯片，為AI計(jì)算不斷發(fā)展的需求提供了可擴(kuò)展的解決方案。通過(guò)實(shí)現(xiàn)更高效的互連和數(shù)據(jù)移動(dòng)，Passage解決了當(dāng)前高性能計(jì)算系統(tǒng)中的一個(gè)關(guān)鍵瓶頸。
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未來(lái)之路
展望計(jì)算的未來(lái)和ASI的潛在發(fā)展，光子技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵使能技術(shù)脫穎而出。通過(guò)克服傳統(tǒng)電子系統(tǒng)的限制，光子技術(shù)提供了一條繼續(xù)擴(kuò)展我們計(jì)算能力的途徑，超越了僅靠硅所能實(shí)現(xiàn)的范圍。
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) B: V6 x2 T# {  y4 |! M0 ^向基于光子技術(shù)的計(jì)算系統(tǒng)過(guò)渡可能分幾個(gè)階段進(jìn)行：

在傳統(tǒng)電子系統(tǒng)中集成光子互連，提高數(shù)據(jù)移動(dòng)效率。

開發(fā)混合電光計(jì)算架構(gòu)，利用兩種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

創(chuàng)建能夠使用光進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和計(jì)算的全光子計(jì)算系統(tǒng)。
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隨著這些技術(shù)的成熟，可能會(huì)看到全新計(jì)算范式的出現(xiàn)，這些范式最終可能釋放ASI的潛力。以前所未有的速度處理和傳輸海量數(shù)據(jù)的能力可能促進(jìn)創(chuàng)建遠(yuǎn)超人類認(rèn)知能力的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和AI系統(tǒng)。
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4 g, ~; R" _  s) k結(jié)論
7 i) i3 S9 x! V! Z/ \: o, \通向人工超級(jí)智能的旅程與我們推動(dòng)計(jì)算技術(shù)邊界的能力密不可分。隨著接近傳統(tǒng)硅基系統(tǒng)的極限，光子技術(shù)成為維持和加速進(jìn)步的有望解決方案。
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通過(guò)實(shí)現(xiàn)更快、更高效、更可擴(kuò)展的計(jì)算架構(gòu)，光子技術(shù)有潛力開啟AI新領(lǐng)域，并可能為ASI創(chuàng)造條件。Lightmatter的Passage技術(shù)代表了實(shí)現(xiàn)這一未來(lái)的關(guān)鍵步驟，改變構(gòu)建和互連計(jì)算系統(tǒng)的方式。

參考文獻(xiàn)
[1] Lightmatter, "Interconnect Is All You Need: Final Nodes, Big Chips, and Photonics," Medium, Oct. 16, 2024.
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$ X( |- P( F2 p  _5 M4 V深圳逍遙科技有限公司（Latitude Design Automation Inc.）是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件，提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio，分別針對(duì)光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù)，廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國(guó)內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作，推動(dòng)特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展，致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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