世界首款基于光的NPU

（原标题：世界首款基于光的NPU）

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来源：内容编译自thebrighterside，谢谢。

从网上购物到医学研究，人工智能 (AI) 持续影响着我们的日常生活。然而，每一次点击或每一次发现的背后，都隐藏着一个计算能力的世界，面临着严峻的挑战。如今的计算机消耗着大量的能源并产生热量，限制了它们的速度和效率。为了解决这些问题，研究人员找到了一个意想不到的解决方案：用光而不是电来计算。

德国科技公司Q.ANT最近的一项突破有望重新定义人工智能芯片的生产方式，引领全球计算机更快、更环保、更强大。

在斯图加特的一家高科技工厂，工程师们推出了一条专门用于生产光子人工智能芯片的先进生产线。这些芯片采用薄膜铌酸锂 (TFLN)，这是一种非常适合管理光信号的特殊材料。这种材料能够极快地控制光波，且不会产生过多的热量。

通过利用现有的半导体工厂并对其进行升级，新方法显著降低了成本，并加速了人工智能处理器的开发。这项投资1400万欧元的创新技术有望重塑全球芯片制造业，为其他国家提升自身技术生产能力树立典范。

据研发该公司的首席执行官 Michael F?rtsch 博士介绍，这项技术为“人工智能芯片制造树立了新的标杆”，旨在提高半导体生产的能源效率和独立性。

光子芯片，也称为光子神经处理单元 (NPU)，是一种利用光而非电进行计算的尖端处理器。与依赖电子在金属线中运动的传统电子芯片不同，光子芯片通过蚀刻在硅基板上的波导、调制器和其他光学元件来操纵光子（光的粒子）。

这种介质的转变使得光子 NPU 能够比传统处理器更快、更高效地执行某些计算，尤其是与人工智能 (AI) 和神经网络相关的计算。

光子NPU的核心是光干涉的概念。光波可以根据其相位和振幅进行组合或抵消，这一特性可用于执行矩阵乘法——这是AI工作负载中的核心运算。

例如，当光穿过可编程干涉仪网络时，它可以被配置成表示神经网络中使用的权重矩阵。输出端的干涉图案结果与计算数据相对应，从而有效地以光速执行复杂的运算。

光子芯片的一大优势在于其能够通过波分复用技术同时处理多个数据流。每种波长（或颜色）的光都可以承载各自的信息流，从而实现高吞吐量的并行处理，而不受传统芯片受热和电性能限制的影响。这意味着光子NPU可以实现极高的带宽和更低的延迟，同时功耗更低。

此外，光子芯片天然适用于模拟计算。与将信息分解成比特的数字电子设备不同，光子系统可以表示和操作连续值，这对于信号处理和人工智能推理等任务非常有用。然而，这也带来了一个挑战：在模拟光学系统中保持精度和管理噪声非常困难，因此通常采用集成光子和电子元件的混合设计。

光子芯片可将处理速度提高50倍，同时能耗降低30倍。这意味着对于管理大规模计算任务至关重要的数据中心可以运行得更快、更可持续。

F?rtsch 博士强调了这种转变的迫切需要，并指出：“随着人工智能和数据密集型应用将传统半导体技术推向极限，我们需要重新思考核心计算的方式。” 光子处理器正是提供了这样的解决方案，它提供了一种可持续的解决方案，既能满足不断增长的计算需求，又不会对现有基础设施造成过大的压力。

光子芯片的一大优势在于其能够以数千兆赫的频率执行极快的光信号调整。由于这些调整过程中几乎不产生热量，因此它们比传统的硅芯片运行得更精确、更高效。这种效率对于现代人工智能系统至关重要，因为机器学习、科学模拟和实时数据分析等任务需要进行大量的数学计算。

负责新生产线的半导体研究所首席执行官Jens Anders教授强调，新型光子芯片为“节能的下一代计算”设定了蓝图。他强调，现在是此类技术的最佳时机，因为人工智能及其相关应用的快速发展很快就会对传统数据中心造成巨大威胁。

除了实验室实验之外，光子芯片已通过云端人工智能试验展现其潜力。这些处理器通过标准 PCIe 接口集成到现有数据中心，可以无缝提升当前的计算配置。它们能够高效地处理关键的人工智能工作负载，例如模型训练、复杂模拟以及机器学习应用中所需的高密度数学运算。

这项技术并非旨在取代 GPU（图形处理单元）等传统处理器，而是对其进行补充，就像GPU目前对标准 CPU（中央处理器）进行补充一样。“我们并非要取代 GPU，而是要重塑下一代计算生态系统。”F?rtsch 博士解释说，并强调光子技术将成为 AI 协处理器的未来标准。

该生产线目前每年可处理多达1000片晶圆，从而支持芯片设计的持续开发和微调。该设施还作为专为高性能计算环境设计的先进服务器技术的研究中心。工程师和研究人员可以快速调整芯片架构以满足不断变化的市场需求，从而显著加快从实验室到市场的进程。

六年前，这项创新背后的团队押注于TFLN技术。如今，这一决策带来了显著的优势。他们在光子学领域的专业知识，以及对从原材料到成品的制造流程的全面掌控，使其在半导体行业中占据了独一无二的地位。这也标志着他们朝着实现高速、低能耗计算的广泛应用和经济可行性迈出了关键一步。

制定光子芯片生产蓝图，其益处远不止一个地区或一家公司。它为其他致力于加强半导体产业的国家提供了一个典范。目前，全球半导体生产严重依赖于几个关键地区。任何中断都可能造成严重后果，影响从汽车制造到关键医疗技术等各个领域。

这种新的光子芯片生产方法有助于摆脱对全球供应链的依赖。采用类似制造方法的国家可以生产自己的先进处理器，增强抵御未来中断的能力。这一战略为实现更加分布式和稳定的半导体产业提供了一条切实可行的途径。

该公司的最终目标雄心勃勃但又明确：到 2030 年，让光子处理器成为全球人工智能基础设施的重要组成部分。“到 2030 年，我们的目标是让我们的光子处理器成为人工智能基础设施可扩展、节能的基石，”F?rtsch 博士说道，并强调了对可持续重塑技术的长期承诺。

计算领域将迎来变革性的影响。数据中心将变得更冷、更快，运营成本也将大幅降低。科学研究和行业应用将加速发展，推动医学、气候建模和机器人技术领域的创新以前所未有的速度发展。

这项突破并非仅仅是渐进式的改进，而是一次巨大的转变。光子处理器利用光的力量，有望在速度、效率和可持续性方面实现显著提升。它们不仅代表着更先进的技术，更代表着更智能的技术，完美契合人工智能驱动的未来。

有了光子计算，传统芯片的瓶颈可能很快就会成为遥远的记忆。随着这项技术的规模化和主流化，创新的可能性将无限广阔。人工智能驱动的行业、研究机构，甚至您的个人科技设备，都可能很快在速度和效率上实现显著飞跃。

在快速发展的数字世界中，光子芯片提供的不仅仅是技术进步；它们还为可持续的计算未来提供了一条更清晰、更光明的道路。

https://www.thebrighterside.news/post/worlds-first-photon-based-npu-is-50x-faster-and-uses-30x-less-power/

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