光子算数：光子芯片“加速”进行时

文 关伟（北京）

光子芯片是利用光子作为信息传输和处理载体的新型集成芯片。相比传统电子芯片，光子芯片以光为信息载体，具有大带宽、高并行、低功耗的天然优势，被认为是未来大容量数据传输、人工智能加速计算等领域最具前景的解决方案之一。

一直以来，北京高度重视光电子产业发展，不仅落地建设了以集成电路设计产业、光子产业为主导的“电子城IC/PIC创新中心”，还依托电子城光电芯片封装测试验证平台，为园区内企业提供一站式定制化封测服务，致力于促进光电子与微电子产业深度融合、快速发展。

光子算数（北京）科技有限责任公司位于朝阳区的电子城IC/PIC创新中心，是全球首家商用光子AI芯片研发商。他们致力于研发光电融合计算技术，基于自主研发的光子AI芯片，提供用于服务器的光电融合AI计算板卡。板卡采用光电异构的智能计算架构，用硅基集成光学的方法对AI计算的主要部分（矩阵运算）进行加速，相较于传统纯电的AI芯片方案可节省4/5的功耗。产品面向服务器市场，可显著降低数据中心与企业自有机房的运维电费，为建设智慧城市提供清洁高效的底层算力支撑。公司目前已承接国家应急管理部、中国电信、中国移动等多家单位的千万级产品订单，是全球第一家提供光子计算商用产品的公司。

突破摩尔定律限制

传统的电子芯片，其性能主要取决于芯片集成的晶体管数量。通常情况下，构成芯片所集成的晶体管数量越多，芯片计算能力就越强。但随着计算速率和集成度的不断提高，电子芯片面临串扰、功耗、时延等一系列固有瓶颈，传统芯片越来越受到晶体管数量布局的挑战。

成立于2017年的光子算数，是国内最早聚焦光子计算的芯片企业之一，其核心技术采用光子替代电子，完成对计算任务的加速处理，芯片可以实现设计—加工—封装—测试的全流程国产化，目前正利用其独到的光电混合集成技术，解决我国在某些细分领域的难题。

“特征尺寸为3nm节点的制造工艺已经非常复杂，如果继续缩小就是原子级别了（硅原子直径大约为0.25nm），这时就需要考虑量子隧穿效应导致的电流增加，电子芯片的能耗不减反增。”在电子城IC/PIC创新中心内，光子算数科技创始人白冰介绍说，在这种情况下，必须采用新的技术方案，光子就是一种很好的选择。

白冰介绍说，在理想状态下，光子芯片的计算速度比电子芯片快约1000倍，同时功耗更低，从性能上突破摩尔定律的限制。

“最为重要的是，光计算芯片与电子芯片原理不同，不依赖晶体管优化，而是通过光电转换原理、利用光信号传播速度更快、功耗更低和不受电磁干扰等特性，实现更快速度和更低功耗完成特定计算任务，同时芯片制造环节全流程都可以在国内实现，当下中国企业与外国的技术水平，基本在同一条起跑线上。”白冰认为，这给国内光电芯片产业“换道超车”提供了很好的机遇。

在理想状态下，光子芯片的计算速度比电子芯片快约1000倍，同时功耗更，从性能上突破摩尔定律的限制。

为计算卡装“涡轮增压”

近年来，随着大数据的产业化应用，数据中心的能耗问题，一直被各级政府、产业界和数据中心运营方所关注。采用光学计算芯片应用于数据中心服务器，提供低功耗的算力，相较于传统的GPU方案，现阶段的技术水平可以将功耗控制到十分之一。

瞄准“降低大数据算力能耗”这一目标，早在2020年，光子算数团队就在业内率先开展了技术应用初步验证，并推出了基于自研光计算芯片的“光电融合AI加速计算卡”，也成为国内最早尝试将光子芯片商业化的企业之一。

白冰介绍说，所谓“光电融合AI加速计算卡”，就是利用光电混合原理和技术，让数据在光电两部分中完成“流动”，执行一个完整的计算过程的混合AI计算硬件系统。

在技术架构上，计算卡一半是电学部分，包含逻辑控制、缓存和与光学芯片相配合的定制化IP。另一半是光学模组，除了光学计算芯片外，还有一颗DFB激光器芯片，以及小型的控制、电源芯片等组件。

目前计算卡可做到30—80路1080P视频同步处理，功耗不到100W，在混合精度下峰值算力接近120TOPS（处理器运算能力单位），已经实现了商业化应用，被应急管理部信息研究院、中国电子科技集团某公司等企业应用，随着技术的迭代还将不断优化提升算力。白冰做了一个形象的比喻：“加上光子协处理引擎模块，相当于给传统计算卡加了一个‘涡轮增压’。”

验证平台助力产业发展

以光子算数为代表的光子芯片企业快速发展背后，离不开政策、产业生态和平台的支持：《北京市关于促进高精尖产业投资推进制造业高端智能绿色发展的若干措施》当中，明确提出要抢先布局光电子、前沿新材料、量子信息等领域未来前沿产业。并支持中外机构联合建立双向创新平台、项目服务平台、投资平台。这为电子城IC/PIC创新中心的快速发展，奠定了良好的基础。

2021年，燕东微电子6寸晶圆制造厂在专业的科技服务运营商电子城高科的主导下，变身成为电子城IC/PIC创新中心，为更多“创芯力”科研团队和企业，提供了成长和腾飞的空间。

北京电子城集成电路设计服务公司是电子城IC/PIC创新中心产业服务的专业运营单位，公司副总经理孙洪兰告诉记者，酒仙桥地区是国内最早的电子工业基地，如今通过更新改造，已经从过去单一的电子工业聚集区，变身成中关村国家自主创新示范区的重要组成部分。

“电子城IC/PIC创新中心园区，以‘中关村硬科技孵化器、IC产业生态创新中心、光子集成技术创新中心、集成电路与光子应用体验中心、IC/PIC公共技术服务平台、电子城集成电路服务公司’为布局，依托电子城高科优质的产业资源和丰富的科技空间运营经验，整合产业链上下游优质服务资源，致力于打造全市首个集成电路和集成光路双集成的特色产业园，助力集成电路设计产业与北京市光电子产业生态建设。”孙洪兰说。

老厂房改造的同时，园区还考虑到了科研团队和初创企业的需求：光电芯片和传统电子芯片一样，在推向市场应用前，需要对芯片进行封装测试的验证以及小规模试制，但光电芯片产业链相对不成熟，尚未形成封装和测试的标准化，大型封测厂难以为新需求提供定制化封装方案研发和试样加工，这无疑增加了初创团队的等待时间成本和加工成本。

在电子城高科与光子算数的共同努力下，2022年，光电芯片封装测试验证平台第一阶段建设完成。目前已完成平台初级阶段的基建改造和洁净间建设，初步具备光电芯片基本测试封装能力。

随着平台的落成与投入使用，可以为光电芯片初创企业提供一站式定制化的封装测试验证服务、进行光电子芯片的二次工艺处理以及配套外围电路的开发，快速实现从原型到产品的跨越，为北京光电芯片产业聚集性发展提供强有力的支撑。