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中国押注光计算芯片——它们能用来跑AI吗?

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用光而不是电驱动的半导体芯片或能提升处理速度、降低能耗。


▲北京大学的研究团队正在测试一款集成光量子芯片。来源:Xinhua via Alamy

随着生成式AI模型的日益精密化,生成图像和视频的耗能逐渐增加,驱动它们的电子芯片正接近速度和能效的极限。光芯片——靠光而不是靠电运行的半导体芯片——或能解决这些问题,领域内的研究人员表示。

这类芯片也叫光子芯片,与商用计算机的集成还要再等好多年,而且不太可能完全取代电子芯片。不过,光芯片研究在最近5年里突飞猛进,而中国是其中的“领头羊”。

“最近十年,中国对该领域的基础设施、能力建设和人才储备进行了战略投资,”澳大利亚悉尼大学物理学家Ben Eggleton说。Eggleton担任APL Photonics总编辑已有十余年,于2025年12月任职到期。他指出,来自中国的高质量光芯片论文数量一直在攀升。

中国研究人员去年发表了476篇光芯片论文,为全球之最,《自然》在分析Dimensions数据库(隶属于霍尔茨布林克出版集团旗下的Digital Science公司,《自然》出版机构施普林格·自然由霍尔茨布林克出版集团控股)的论文时发现。2017-2025年,中国作者的论文数量增长了10倍。美国位居第二,同时期的产出增长了一倍多。

继美国出台政策限制中国购买最先进电子芯片及其制造设备之后,中国对光计算的投入不断提速。电子芯片是训练和部署AI大模型的“必需品”。

中国复旦大学材料科学家程增光表示,面对美国的禁令,中国另辟蹊径,决心寻找实现高性能计算的替代方案。“中国在‘十四五’规划中提到了光子技术与量子计算项目。中国政府对此也在持续投入,”他说。

计算瓶颈

光芯片使用光子而不是电子传输信息。由于光子传输速度更快,且不会以产热的方式耗能,因此光子系统比电子系统的性能更好,能量损耗也更低。这类芯片已被用于传感器、数据通讯系统和生物医学装置。但将光芯片用于计算——尤其是用于生成式AI任务——还有其他瓶颈。

电子芯片使用晶体管操控电压。而光芯片需要控制光振幅、光相和光干涉模式。这使得光学芯片更加高效节能,但扩展、重新配置和训练用于复杂任务的难度也更大,上海交通大学电子工程师陈一彤表示。直到最近,大部分光芯片只有很单一的功能,像是图像分类。

不久前,陈一彤和同事报道了首个全光计算芯片LightGen[1],该芯片能运行先进的生成式AI模型,生成图像和视频。

该团队利用高密度集成的超表面——由能在纳米尺度操控光的工程化片层堆叠而成——将数百万个光学神经元集成到芯片上。他们还开发了一个专门用于光学系统的训练算法。团队指出,LightGen支持图像生成、编辑视频,甚至还能生成3D场景,且速度和能效比高端处理器(如英伟达A100)更优异。

Eggleton表示,该研究非常出色,概念验证了一款能完成特定任务、高速节能的光芯片。

程增光表示,中国政府鼓励产学合作,“这为该技术的发展提供了强大支撑”,加速了光芯片初创企业的商业化,这类企业包括同在苏州的光本位(LightStandard)和旭创科技(InnoLight)。

工程难关

尽管光芯片的优势毋庸置疑,但先要克服工程难关,才能大规模驱动生成式AI模型。电子芯片中的晶体管会产生电阻,通过产热造成能量损耗。光芯片则没有这种阻性损耗,但需要配套元件——如激光器、检测器和调制器——这些都会耗能。Eggleton说,“配套元件是否会最终耗能过度,抵消光芯片的优势?这个问题只有等光芯片进入实际应用才能知道了。”

可扩展性是另一个待解问题。电子芯片的设计为多用途适用,但光芯片的架构需根据具体用途而调整,程增光说。因此,想要构建一种类似于英伟达芯片的通用光处理器非常难。

Eggleton表示,光芯片不太会彻底取代多功能的电子处理器,但它可以成为异构计算生态系统中的特化元件。

原文作者:Mohana Basu

参考文献

Chen, Y. et al. Science 390, 1259–1265 (2025).

原文以China is betting on ‘optical’ computer chips — will they power AI?标题发表在2026年1月30日《自然》的新闻版块上


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