将数亿晶体管集成到指甲盖大小的芯片上，不断提高其集成密度，是近几十年提高芯片计算能力的主要途径，也是引领行业半个多世纪的摩尔定律的核心内容。然而，由于人工智能、大数据、物联网等行业的快速发展，数字经济浪潮席卷其中。作为核心生产力的计算能力需求激增，逐渐与芯片本身的物理极限发生冲突。曾被视为金科玉律的摩尔定律正面临失败的困境。

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光可能会成为解决这个问题的突破吗？光子具有高通量、低延迟、低能耗的优点，不易受到温度、电磁场和噪声变化的影响。此前，光子技术经常应用于长途通信领域，光纤通信已成为各种通信网络的主要传输方式。然而，光在人类社会进步中的作用可能比我们想象的要大得多。

西智科技率先关注光学领域，提出了开创性的光电混合计算新范式概念，试图为集成电路行业提供一种不同于当前传统芯片计算范式的新的解决方案。最近，西智科技CTO孟怀宇博士DeepTech以计算需求爆发下的光电混合计算新范式为主题，科技创新周先进计算论坛详细介绍了这一概念。

新革命从光计算开始

光计算是指利用光的物理特性完成线性计算。孟怀宇博士以生活中常见的光计算眼镜为例，指出了光计算的三个优点。

首先是低延迟。眼镜后的观察者觉得眼镜前图像变化所需的时间等于以光速穿越这段距离所需的时间——几乎最少；其次，能耗低。眼镜本身不消耗能量，所有能量都消耗在光信号的产生和吸收上；最后，当光信号发生高速变化时，眼镜后接收的信息也会发生高速变化，即眼镜的二维傅里叶变换正在进行高速大通量计算。

虽然眼镜不能编程，但其原理给光计算的实现带来了灵感。西智科技创始人兼创始人兼CEO沈亦晨博士创造性地提出了利用集成光子技术实现深度学习的新计算架构，并于2017年创立了西智科技。2019年，西智科技发布了世界上第一张光子芯片原型板卡，成功验证了用光子代替电子进行高性能计算的先锋理念。在此基础上，西智科技团队于2021年发布了高性能光子计算处理器PACE（Photonic Arithmetic Computing Engine，光子计算引擎)通过重复矩阵乘法，巧妙利用受控噪声组成的紧密回环，实现低延迟，导致伊辛问题（Ising）高质量的解决方案。

孟怀宇博士说： PACE主要利用光计算的低延迟优势。它可以在3纳秒内EPCOS代理完成伊辛问题单次迭代计算，速度达到目前的高端GPU800倍以上。

PACE与目前高端GPU性能对比

光互联，光电混合计算新范式的另一半

另一半关注的是解决数据互联问题，即内存墙（memory wall）问题主要包括容量和带宽。今天，随着计算能力的爆发，相应硬件的增长速度遥不可及。以AI典型模型Transformer例如，在两年内，硬件存储容量只增加了两倍，算法大小增加了240倍。因此，存储墙的容量瓶颈，即如何容纳更大的应用程序。

另一个挑战是带宽瓶颈。孟怀宇博士解释说，如果将芯片想象为平面方块，芯片的计算能力与方块的面积成正比，芯片的外部带宽与其边长成正比。因此，当芯片上的晶体管密度越来越高时，如果芯片的边长密度增加2倍，计算密度将增加4倍。因此，无论是摩尔定律向前发展，还是通过新的计算范式提高单位面积的计算能力，喂养计算能力所需的带宽都将成为一个问题。在过去的20年里，硬件的计算能力增加了9万倍，但是DRAM带宽和网络带宽只增加了30倍。

西智科技给出的解决方案是数据互联的新范式——光互联。与电互联的性能相比，它会随着距离的增长而逐渐下降，而光互联受到距离的影响要小得多。孟怀宇博士说:理想情况下，使用光互联更有利于10mm以上的数据传输，可以给解决带宽瓶颈和容量瓶颈带来更大的可能性，这也是西智科技对光互联新范式的基本逻辑。

对比光互联和电互联

目前，光互联解决方案已应用于数据中心，但由于光模块与使用光模块的数字芯片之间的距离往往超过1米，光互联受到电互联的限制，导致光互联的应用范围仅限于框架、框架甚至服务器之间的光互联。为了消除电互联网的瓶颈，西智科技倡导的光互联网新范式是将光电转换与数字芯片高度集成，形成芯片发光孟怀宇博士以当前数据中心的资源池趋势为例，他说：我将把这种广泛的资源池理解为计算资源的‘共享经济’。由于其互联性差，一个服务器很难访问另一个服务器的资源。光互联可以帮助实现更好的互联，使大规模的资源共享成为可能。最后，通过资源池化，每个计算芯片都可以访问更大的内存和带宽，从而解决内存墙问题。”

光互联使数据中心的资源池成为可能

超大规模光电混合集成是实现上述一切的基础技术。在这方面，西智科技也完成了相关技术验证，成功地将集成硅光芯片和3个电子芯片D垂直堆叠的封装形式使两个芯片之间的距离最小化，实现了与现有芯片相比 Transceiver集成密度高1000倍以上。

最后，孟怀宇博士还介绍了西智科技光电混合晶圆级计算平台的解决方案。如今，业内很多公司都推出了晶圆级计算平台的概念Cerebras公司的WSE芯片。但它们的局限性也很明显：首先，由于电力不适合长途通信，最近的邻里数据只能传输；其次，它们将面临更严重的内存墙问题。在这方面，光电混合晶圆级计算平台解决方案实现了任何互联拓扑、低延迟和低能耗。同时，为了打破内存墙

光电混合晶圆级计算平台曦智科技

自2017年成立以来，西智科技一直致力于通过光计算和光互联网组成的新型光电混合计算模式，继续为客户提供更具创造性和高效的计算支持。截至2022年3月，西智科技已融资14亿元以上，引领全球光子计算轨道。其基于光互联网的最新解决方案目前正在继续开发，并将在不久的将来以产品的形式正式发布。