IBM 將“光的力量”引入芯片，速度提高80倍

本文由半導體產業縱橫（ID：ICVIEWS）綜合

IBM開發了一種新型的聚合物光波導（PWG）技術，爲共封裝光學帶來了革新。

IBM 表示，其在光學技術領域取得了突破，可以顯著改善數據中心訓練和運行生成式 AI 模型的方式。其新型共封裝光學技術基本上將光纖的功率集成到芯片上，從而以光速實現數據中心內的連接。

IBM 半導體總經理穆克什·卡雷表示，電信行業在製造越來越快的芯片方面取得了重大進展。但這些芯片之間的通信速度並沒有增長得那麼快。計算增長的速度和芯片之間通信的速度之間存在幾個數量級的差距。

他說：“從本質上講，更基礎的芯片仍然通過電進行通信。它們使用銅線。衆所周知，我們最好的通信技術是光纖，這就是爲什麼光纖在其他地方用於長距離通信的原因。”

儘管共封裝光學技術已經存在了一段時間，但 IBM 已經創建了新的聚合物光波導 (PWG) 技術來爲共封裝光學技術提供動力。PWG 使芯片製造商能夠在硅光子芯片的邊緣添加六倍多的光纖。每根光纖的寬度約爲人類頭髮的三倍，長度可從幾釐米到幾百米不等，每秒傳輸數兆兆位的數據。

該公司表示，該技術意味着比當今採用電氣技術的芯片間通信帶寬快 80 倍，並且可將能耗降低 5 倍以上。

它還可以將大型語言模型 (LLM) 的訓練速度提高五倍，將訓練標準 LLM 所需的時間從三個月縮短到三週，並且通過使用更大的模型和更多的 GPU 可以提高性能。

除了允許 GPU 和加速器以更快的速度相互通信之外，它還可以重新定義計算行業通過電路板和服務器傳輸高帶寬數據的方式。

Khare 表示：“我們非常高興能夠利用光的力量來加速 Gen AI 和許多其他應用的發展。”

當被問及該技術何時實現商業化時，Khare 表示 IBM 的研究部門已經做好了使用準備。

在過去的一段時間裡，電子芯片的發展已經面臨巨大的物理和經濟成本挑戰，“摩爾定律失效”的聲音愈加響亮。電子芯片以硅爲基礎，當製程降至7納米以下時，便容易出現電涌和電子擊穿等問題，導致難以控制。相對而言，光子芯片提供了新的解法，不僅能夠克服功耗和訪存能力的瓶頸，還能催生許多前所未有的應用場景。

當前，光子芯片正引發國內外多個頂尖科研機構的激烈競爭。以清華大學的研究團隊爲例，2023年4月，他們獨創性地提出了一種分佈式廣度智能光計算架構，開發了名爲“太極”的光子芯片，其能量效率高於當前的智能芯片數個數量級。這種技術在大場景智能分析和大模型訓練等領域表現出極大的潛力。

那麼，光子芯片究竟是如何工作的呢？電子芯片依賴於電子晶體管和導電銅線，而光子芯片則以光子晶體管和導光波導爲基礎。波導是傳播光信號的介質，類似於我們常見的光纖。光子芯片可分爲激光器芯片和探測器芯片，激光器芯片通過半導體材料激發電流以實現電光轉換，而探測器芯片則通過光電效應將光信號轉化爲電信號。

儘管純光子芯片的研究還在實驗階段，絕大部分光子芯片仍需藉助電力進行控制。據悉，清華大學的“太極II”芯片已經展示了通過光學神經網絡進行在線訓練的可能性，該芯片能夠在無需GPU的條件下實現高速數據處理。這一進展爲光子芯片的實用化提供了希望。

光子芯片不僅能在計算領域大顯身手，還將在多個領域展現其應用前景。由於其超高速數據傳輸能力，結合光纖網絡，光子芯片能推動通信技術進入全新時代。抗干擾性能強的光子技術使得光子雷達的研發成爲可能，同時在生物醫學、環境監測等領域，光子芯片也可實現更高效的數據處理和分析。

實現光子芯片的商用化還需克服技術與成本的多重挑戰。一旦這些難題得到解決，光子芯片的廣泛應用將不僅意味着技術的突破，更有可能深刻改變我們生活的方方面面。

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