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人工智能发展离不开计算能力的飞跃,芯片就是计算机的大脑

2019-09-20 阅读888次

  中国在人工智能各个领域全面发力。以机器人为例,《2019年中国机器人产业发展报告》显示,今年我国机器人市场规模预计达到86.8亿美元,2014-2019年的平均增长率达到20.9%。

  人工智能发展离不开计算能力的飞跃,芯片就是计算机的大脑。如今,国内多个团队正在突破各种不同形式的芯片,在人工智能的比拼中差异化生存。

  2008年,白冰来到北京理工大学就读光电子专业。

  那时,距离围棋“人机大战”还有很多年,自动驾驶 汽车 未在亦庄路测,人工智能尚在萌芽中。

  本科后两年,白冰交换到澳大利亚国立大学物理光学专业,并在澳大利亚读完硕士。2014年,25岁的白冰结束4年留学生涯,回国攻读博士。“我那时候经常去听各种学术会议,结识了各种志同道合的朋友,也认识整个芯片行业上下游的各种企业。”

人工智能发展离不开计算能力的飞跃,芯片就是计算机的大脑

  2017年,白冰开始 创业 ,组建了全球第二个光子人工智能芯片研究团队。他们制作的光子芯片——硅光AI芯片,有望摆脱对国外高制程光刻机的依赖,成为我国在芯片领域换道超车的核心技术。

  有了更多更强更好用的芯片,人工智能产业得以蓬勃发展,《2019-2020中国人工智能计算力发展评估报告》提到,围绕京津冀、长三角、大湾区三大 经济 圈形成的人工智能三大产业集群已初具雏形。

  “光子芯片”——让光提供运算能力

  我们的世界充满着光。

  用光做传输信号,让光转换为能量,大家都能理解,但说到让光提供运算能力,不少人都是一头雾水。

  光子芯片,就能向光“要来”运算能力,是白冰和团队致力研发的领域。

  目前,业界使用的芯片一般为电子芯片(半导体芯片),即超大规模集成电路,一块芯片上有几百万的晶体管。而光子芯片上有无数个光学开关器,利用不同波长、相位和强度的光线组合进行信息处理。

  “对于光来说,传输就是计算。比如光通过一个透镜发生折射,你通过透镜看到另一端的物体变形了。图像经过转化传到你的眼睛的过程中,透镜使得图像发生了变化,这就是一个计算的过程。”白冰说。

  白冰和初创团队多有光通信背景,对于使用光进行计算的想法,白冰觉得很自然,“技术已经到了这个程度”。这也是他们团队的优势,因为很多现成的光学元件可以直接拿来用。

  光子芯片如何与人工智能搭上边?白冰解释,如果一个芯片跑得非常快、非常省电,一定是芯片的物理结构与软件高度匹配,才能实现高效率。现在的人脸识别、自动驾驶、安防监控、AI 金融 、AI医疗等功能,都依赖人工智能算法,一款能跟算法匹配的芯片,就是人工智能芯片。

  实现人工智能需要大量线性运算,而光子芯片天生适合线性计算——算法高度匹配,计算速度比普通电子芯片高。“光学计算芯片在实验室一直存在,但长期没有比较好的应用场景,无法落地应用,人工智能的发展使得光子芯片有了用武之地。”白冰说。

  2017年中,白冰和团队想法成熟,开始着手画图和设计。

  “设计用了几个月,2018年初做出了芯片。”白冰说,芯片的设计、加工、封装、测试全部在国内完成,最初花费近百万元,他自掏腰包。

  他们制作的硅光AI芯片采用国内130nm微电子工艺,工艺制程容忍度很高,摆脱了对于国外高制程光刻机的依赖,国内很多厂商都能做。“光子芯片可以说是我国在芯片领域换道超车的核心技术。”

  虽然无需最新工艺,光子芯片的性能毫不逊色。

  “光子芯片能提供电子芯片10倍以上的算力”,白冰介绍。

  2018年,全国双创周北京主会场,白冰和团队已经拿出硅光AI芯片样本,吸引了很多人驻足。当年第四届中国“ 互联网 +”大学生创新创业大赛总决赛上,白冰作为负责人的创业项目《光子人工智能芯片》参加比赛并获得银奖。

  如今,他们在中关村国防 科技 园有了自己的办公室,建立了超净实验室,光子人工智能芯片项目也成功签约落户顺义。按照白冰的畅想,未来光子芯片主要还是瞄准人工智能领域的应用与发展。目前,光子人工智能芯片的产品主要集中于云端,之后将推向设备端。

  智慧城市的“大脑”

  功耗是光子芯片的另一大卖点。无论是性能功耗比还是单位美元提供算力,光子芯片都比电子芯片更有优势。

  “电子芯片的功耗比已经到了瓶颈,但是光子芯片的能力还远没有到顶。我们希望更多资源进来,一起优化光子芯片的能力。”白冰介绍,光子人工智能芯片的功耗仅为电子芯片的十分之一,能效比可达10T/W。

  中科院上海微系统所所长助理秦曦介绍,集成电路的发展已趋于极限,而通过硅光集成,用光代替原来的电进行传输,成本有可能降低到原来的十分之一,甚至更低。

  前不久,国内三大运营商都采购了光子芯片进行功耗测试。在未来的智慧城市建设中,光子芯片被寄予厚望。

  “智慧城市需要建设很多‘智慧大脑’作为信息处理中心,然后通过5G将计算能力传出去。光子芯片可以作为‘智慧大脑’的面板,降低能耗。”

  白冰介绍,光子芯片还可广泛应用于自动驾驶、智能机器人、工业物联网等领域。

  下一步,白冰团队将在硬件基础上提供底层工具,希望国内高校、科研院所以及企业,共同参与,建立完整的光子芯片生态系统。

  多所高校正在光子芯片领域攻坚。今年第五期《半导体学报》上,北京大学物理学院陈建军研究员介绍,光子芯片技术的逐渐成熟必将引起光信息技术领域的又一次革命,将在通信、医疗、计算、国防、能源等领域产生颠覆式的革新。

  “井喷”的人工智能芯片

  光子芯片不是唯一能实现人工智能的芯片。

  近两年的全国双创周上,不少企业推出了其他种类丰富的人工智能芯片。

  例如,清微智能研发的可重构芯片,可在超低功耗下实现人脸识别。

  可重构是清微智能的核心技术。首席技术官欧阳鹏解释,所谓可重构,就是没有把整个电路做“死”。例如,人脸检测和语音识别是两个应用、两个算法,对应的是两个不同的电路,“这两个不同的电路,我们只用一颗芯片,切换一下,就能从一个电路变成另外一个电路。实现这一技术有很多难点,比如如何让电路切换更加高效,用了很长时间才实现相对稳定。”

  存算一体芯片领域,也有团队在深耕。

  知存科技是国内唯一一家应用存算一体技术的公司。工作人员易金刚解释,储存和运算分开,数据进行交互时就会产生大量的数据吞吐。随着用户对视频和语音等应用的需求越来越大,数据吞吐率成为技术发展的瓶颈,把计算和存储尽可能融合在一起,是一个解决方案。以智能耳机为例,芯片经过训练后,能学习音量增大、音量减小、上一首、下一首、开机、关机等关键词,因为采用神经网络计算模式,匹配度极高。


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