中國(guó)“芯”助跑人工智能
發(fā)布日期： 2019-09-19 供稿：新京報(bào)
編輯：吳楠 審核：王征 閱讀次數(shù)：原文標(biāo)題：中國(guó)“芯”助跑人工智能
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從三國(guó)的“木牛流馬”到現(xiàn)代的自動(dòng)駕駛，讓“物”具有一部分人的智能,，是人類一直以來(lái)的夢(mèng)想。
近年來(lái),，中國(guó)在人工智能各個(gè)領(lǐng)域全面發(fā)力,。以機(jī)器人為例，《2019年中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》顯示,，今年我國(guó)機(jī)器人市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到86.8億美元，2014-2019年的平均增長(zhǎng)率達(dá)到20.9%,。
人工智能發(fā)展離不開計(jì)算能力的飛躍,，芯片就是計(jì)算機(jī)的大腦。如今,，國(guó)內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)正在突破各種不同形式的芯片,，在人工智能的比拼中差異化生存。
2008年,，白冰來(lái)到北京理工大學(xué)就讀光電子專業(yè),。
那時(shí)，距離圍棋“人機(jī)大戰(zhàn)”還有很多年,，自動(dòng)駕駛汽車未在亦莊路測(cè),，人工智能尚在萌芽中。
本科后兩年,，白冰交換到澳大利亞國(guó)立大學(xué)物理光學(xué)專業(yè),，并在澳大利亞讀完碩士。2014年,，25歲的白冰結(jié)束4年留學(xué)生涯,，回國(guó)攻讀博士?！拔夷菚r(shí)候經(jīng)常去聽各種學(xué)術(shù)會(huì)議,，結(jié)識(shí)了各種志同道合的朋友，也認(rèn)識(shí)整個(gè)芯片行業(yè)上下游的各種企業(yè),?！?/p>
2017年，白冰開始創(chuàng)業(yè),，組建了全球第二個(gè)光子人工智能芯片研究團(tuán)隊(duì),。他們制作的光子芯片——硅光AI芯片，有望擺脫對(duì)國(guó)外高制程光刻機(jī)的依賴,，成為我國(guó)在芯片領(lǐng)域換道超車的核心技術(shù),。
有了更多更強(qiáng)更好用的芯片，人工智能產(chǎn)業(yè)得以蓬勃發(fā)展,，《2019-2020中國(guó)人工智能計(jì)算力發(fā)展評(píng)估報(bào)告》提到,，圍繞京津冀,、長(zhǎng)三角、大灣區(qū)三大經(jīng)濟(jì)圈形成的人工智能三大產(chǎn)業(yè)集群已初具雛形,。
“光子芯片”——讓光提供運(yùn)算能力
我們的世界充滿著光,。
用光做傳輸信號(hào)，讓光轉(zhuǎn)換為能量,，大家都能理解,，但說(shuō)到讓光提供運(yùn)算能力，不少人都是一頭霧水,。
光子芯片,，就能向光“要來(lái)”運(yùn)算能力，是白冰和團(tuán)隊(duì)致力研發(fā)的領(lǐng)域,。
目前,，業(yè)界使用的芯片一般為電子芯片（半導(dǎo)體芯片），即超大規(guī)模集成電路,，一塊芯片上有幾百萬(wàn)的晶體管,。而光子芯片上有無(wú)數(shù)個(gè)光學(xué)開關(guān)器，利用不同波長(zhǎng),、相位和強(qiáng)度的光線組合進(jìn)行信息處理,。
“對(duì)于光來(lái)說(shuō)，傳輸就是計(jì)算,。比如光通過(guò)一個(gè)透鏡發(fā)生折射,，你通過(guò)透鏡看到另一端的物體變形了。圖像經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化傳到你的眼睛的過(guò)程中,，透鏡使得圖像發(fā)生了變化,，這就是一個(gè)計(jì)算的過(guò)程?！卑妆f(shuō),。
白冰和初創(chuàng)團(tuán)隊(duì)多有光通信背景，對(duì)于使用光進(jìn)行計(jì)算的想法,，白冰覺得很自然,，“技術(shù)已經(jīng)到了這個(gè)程度”。這也是他們團(tuán)隊(duì)的優(yōu)勢(shì),，因?yàn)楹芏喱F(xiàn)成的光學(xué)元件可以直接拿來(lái)用,。
光子芯片如何與人工智能搭上邊？白冰解釋,，如果一個(gè)芯片跑得非?？臁⒎浅Ｊ‰?，一定是芯片的物理結(jié)構(gòu)與軟件高度匹配,，才能實(shí)現(xiàn)高效率?，F(xiàn)在的人臉識(shí)別、自動(dòng)駕駛,、安防監(jiān)控,、AI金融、AI醫(yī)療等功能,，都依賴人工智能算法,，一款能跟算法匹配的芯片，就是人工智能芯片,。
實(shí)現(xiàn)人工智能需要大量線性運(yùn)算,，而光子芯片天生適合線性計(jì)算——算法高度匹配，計(jì)算速度比普通電子芯片高,。“光學(xué)計(jì)算芯片在實(shí)驗(yàn)室一直存在,，但長(zhǎng)期沒有比較好的應(yīng)用場(chǎng)景,，無(wú)法落地應(yīng)用，人工智能的發(fā)展使得光子芯片有了用武之地,?！卑妆f(shuō)。
2017年中,，白冰和團(tuán)隊(duì)想法成熟,，開始著手畫圖和設(shè)計(jì)。
“設(shè)計(jì)用了幾個(gè)月,，2018年初做出了芯片,。”白冰說(shuō),，芯片的設(shè)計(jì),、加工、封裝,、測(cè)試全部在國(guó)內(nèi)完成,，最初花費(fèi)近百萬(wàn)元，他自掏腰包,。
他們制作的硅光AI芯片采用國(guó)內(nèi)130nm微電子工藝,，工藝制程容忍度很高，擺脫了對(duì)于國(guó)外高制程光刻機(jī)的依賴,，國(guó)內(nèi)很多廠商都能做,。“光子芯片可以說(shuō)是我國(guó)在芯片領(lǐng)域換道超車的核心技術(shù),?！?/p>
雖然無(wú)需最新工藝,，光子芯片的性能毫不遜色。
“光子芯片能提供電子芯片10倍以上的算力”,，白冰介紹,。
2018年，全國(guó)雙創(chuàng)周北京主會(huì)場(chǎng),，白冰和團(tuán)隊(duì)已經(jīng)拿出硅光AI芯片樣本,，吸引了很多人駐足。當(dāng)年第四屆中國(guó)“互聯(lián)網(wǎng)+”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽總決賽上,，白冰作為負(fù)責(zé)人的創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目《光子人工智能芯片》參加比賽并獲得銀獎(jiǎng),。
如今，他們?cè)谥嘘P(guān)村國(guó)防科技園有了自己的辦公室,，建立了超凈實(shí)驗(yàn)室,，光子人工智能芯片項(xiàng)目也成功簽約落戶順義。按照白冰的暢想,，未來(lái)光子芯片主要還是瞄準(zhǔn)人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展,。目前，光子人工智能芯片的產(chǎn)品主要集中于云端,，之后將推向設(shè)備端,。
智慧城市的“大腦”
功耗是光子芯片的另一大賣點(diǎn)。無(wú)論是性能功耗比還是單位美元提供算力,，光子芯片都比電子芯片更有優(yōu)勢(shì),。
“電子芯片的功耗比已經(jīng)到了瓶頸，但是光子芯片的能力還遠(yuǎn)沒有到頂,。我們希望更多資源進(jìn)來(lái),，一起優(yōu)化光子芯片的能力?！卑妆榻B,，光子人工智能芯片的功耗僅為電子芯片的十分之一，能效比可達(dá)10T/W,。
中科院上海微系統(tǒng)所所長(zhǎng)助理秦曦介紹,，集成電路的發(fā)展已趨于極限，而通過(guò)硅光集成,，用光代替原來(lái)的電進(jìn)行傳輸,，成本有可能降低到原來(lái)的十分之一，甚至更低,。
前不久,，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商都采購(gòu)了光子芯片進(jìn)行功耗測(cè)試。在未來(lái)的智慧城市建設(shè)中,，光子芯片被寄予厚望,。
“智慧城市需要建設(shè)很多‘智慧大腦’作為信息處理中心,，然后通過(guò)5G將計(jì)算能力傳出去。光子芯片可以作為‘智慧大腦’的面板,，降低能耗,。”
白冰介紹,，光子芯片還可廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛,、智能機(jī)器人、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域,。
下一步,，白冰團(tuán)隊(duì)將在硬件基礎(chǔ)上提供底層工具，希望國(guó)內(nèi)高校,、科研院所以及企業(yè),，共同參與，建立完整的光子芯片生態(tài)系統(tǒng),。
多所高校正在光子芯片領(lǐng)域攻堅(jiān),。今年第五期《半導(dǎo)體學(xué)報(bào)》上，北京大學(xué)物理學(xué)院陳建軍研究員介紹,，光子芯片技術(shù)的逐漸成熟必將引起光信息技術(shù)領(lǐng)域的又一次革命,，將在通信,、醫(yī)療,、計(jì)算、國(guó)防,、能源等領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆式的革新,。
“井噴”的人工智能芯片
光子芯片不是唯一能實(shí)現(xiàn)人工智能的芯片。
近兩年的全國(guó)雙創(chuàng)周上,，不少企業(yè)推出了其他種類豐富的人工智能芯片,。
例如，清微智能研發(fā)的可重構(gòu)芯片,，可在超低功耗下實(shí)現(xiàn)人臉識(shí)別,。
可重構(gòu)是清微智能的核心技術(shù)。首席技術(shù)官歐陽(yáng)鵬解釋,，所謂可重構(gòu),，就是沒有把整個(gè)電路做“死”。例如,，人臉檢測(cè)和語(yǔ)音識(shí)別是兩個(gè)應(yīng)用,、兩個(gè)算法，對(duì)應(yīng)的是兩個(gè)不同的電路,，“這兩個(gè)不同的電路,，我們只用一顆芯片,，切換一下，就能從一個(gè)電路變成另外一個(gè)電路,。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)有很多難點(diǎn),，比如如何讓電路切換更加高效，用了很長(zhǎng)時(shí)間才實(shí)現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定,?！?/p>
存算一體芯片領(lǐng)域，也有團(tuán)隊(duì)在深耕,。
知存科技是國(guó)內(nèi)唯一一家應(yīng)用存算一體技術(shù)的公司,。工作人員易金剛解釋，儲(chǔ)存和運(yùn)算分開,，數(shù)據(jù)進(jìn)行交互時(shí)就會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)吞吐,。隨著用戶對(duì)視頻和語(yǔ)音等應(yīng)用的需求越來(lái)越大，數(shù)據(jù)吞吐率成為技術(shù)發(fā)展的瓶頸,，把計(jì)算和存儲(chǔ)盡可能融合在一起,，是一個(gè)解決方案。以智能耳機(jī)為例,，芯片經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后,，能學(xué)習(xí)音量增大、音量減小,、上一首,、下一首、開機(jī),、關(guān)機(jī)等關(guān)鍵詞,，因?yàn)椴捎蒙窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模式，匹配度極高,。
易金剛表示,，目前人工智能有幾大主流分支，最重要的就是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算,，通過(guò)不斷迭代和推理過(guò)程來(lái)完成人工智能計(jì)算,，很多大公司在做，但是需要借助云端服務(wù),?！拔覀冞@個(gè)產(chǎn)品把云端放到端點(diǎn)這邊來(lái)解決，把神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)和計(jì)算中最復(fù)雜,、最耗代價(jià)的部分通過(guò)存算一體芯片來(lái)完成,。”
北京靈汐科技生產(chǎn)的自行車，周身纏繞著鱗次櫛比的線路,，連接著各類傳感器,，車后座上的芯片被稱為類腦芯片。依靠芯片,，自行車能跟在人后跑,，前面有障礙物，自行車也能從周圍繞過(guò),。自行車還能進(jìn)行語(yǔ)音辨認(rèn),，履行轉(zhuǎn)向、加速等多種操作,。
“自行車僅僅是一個(gè)載體,，核心技術(shù)就是類腦芯片。這輛車本身的造價(jià)為40萬(wàn)元,，而芯片的研制本錢超過(guò)1億元,。”北京靈汐科技公司副總經(jīng)理梅迪說(shuō),。
上個(gè)月,，清華大學(xué)發(fā)布全球首款異構(gòu)融合類腦芯片，并登上了Nature雜志封面,。其實(shí),，這款芯片也曾在雙創(chuàng)周多次亮相。
我國(guó)有望形成人工智能三大產(chǎn)業(yè)群
我國(guó)芯片產(chǎn)業(yè)起源于上世紀(jì)50年代,，1953年,，蘇聯(lián)援建的北京電子管廠開建，一度是亞洲最大的晶體管廠,。
最早,，我們走的是自主研發(fā)道路,，盡管面臨國(guó)際技術(shù)封鎖,，落后并不多，但在隨后的世界芯片業(yè)快速發(fā)展期,，差距被迅速拉大,。
1977年，全國(guó)600多家半導(dǎo)體生產(chǎn)工廠,，一年生產(chǎn)的集成電路總量,，只等于日本一家大型工廠月產(chǎn)量的十分之一。
痛定思痛之后,，我國(guó)先后推出“909工程”以及“國(guó)產(chǎn)高性能SOC芯片”“龍芯2號(hào)增強(qiáng)型處理器芯片設(shè)計(jì)”等課題,。
2014年，總額超1200億元國(guó)家集成電路產(chǎn)業(yè)投資基金成立，專為促進(jìn)集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展而設(shè)立,。
如今,，以光子芯片為代表，“中國(guó)芯”正受到更多關(guān)注,。
2017年底,，工信部發(fā)布的《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》披露，高速率光子芯片國(guó)產(chǎn)化率僅3%左右,，并提出2022年中低端光子芯片國(guó)產(chǎn)化率超過(guò)60%,，高端光子芯片國(guó)產(chǎn)化率突破20%的目標(biāo)。
在北京,，以芯片等為代表的高新技術(shù),，正在引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和升級(jí)，一些芯片企業(yè)開始在國(guó)內(nèi)甚至國(guó)際市場(chǎng)嶄露頭角,。
國(guó)內(nèi)首家碳化硅芯片企業(yè)總經(jīng)理陳彤表示,，半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展了近半個(gè)世紀(jì)，總體上這幾年來(lái)各個(gè)方向都碰到了瓶頸,?！艾F(xiàn)在用新型的化合物材料替代原本的硅材料，才能為用戶提供更高性能的芯片,。這是近年全球出現(xiàn)的一個(gè)技術(shù)升級(jí)換代的趨勢(shì),，這個(gè)新趨勢(shì)就為國(guó)內(nèi)的新企業(yè)、新供應(yīng)商提供了機(jī)會(huì),，進(jìn)入這個(gè)常被國(guó)外大企業(yè)壟斷封鎖的高端行業(yè),。”
陳彤認(rèn)為,，芯片行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)沒有國(guó)界限制,，只能拼質(zhì)量、拼服務(wù),、拼技術(shù),，沒有捷徑可走。他的企業(yè)前前后后花了兩個(gè)多億,，才能搶占一個(gè)橋頭堡,。“投錢建線的過(guò)程就要兩三年,，投產(chǎn)爬坡又要五六年,。”陳彤說(shuō),。
得益于芯片產(chǎn)業(yè)的扎實(shí)基礎(chǔ),，我國(guó)人工智能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。
2019中國(guó)人工智能計(jì)算大會(huì)發(fā)布的《2019-2020中國(guó)人工智能計(jì)算力發(fā)展評(píng)估報(bào)告》提到，圍繞京津冀,、長(zhǎng)三角,、大灣區(qū)三大經(jīng)濟(jì)圈形成的人工智能三大產(chǎn)業(yè)集群已初具雛形。
各城市正在不同領(lǐng)域發(fā)力,。
北京市經(jīng)信局局長(zhǎng)王剛此前透露,，北京正在制定《北京市機(jī)器人產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)方案》，或?qū)?gòu)建醫(yī)療健康機(jī)器人,、特種機(jī)器人,、協(xié)作機(jī)器人、倉(cāng)儲(chǔ)機(jī)器人和關(guān)鍵零部件4+1產(chǎn)業(yè)發(fā)展格局,。到2021年,，培育三到五家細(xì)分領(lǐng)域龍頭企業(yè)，機(jī)器人及相關(guān)產(chǎn)業(yè)收入超過(guò)120億元,。
上海已開始光子芯片布局,，2017年將硅光子列入首批市級(jí)重大專項(xiàng)，計(jì)劃到2021年建成全國(guó)硅光子芯片研發(fā)和中試基地,，到2025年量產(chǎn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)芯片批量供貨,，成為國(guó)際知名硅光子的研發(fā)、制造基地,。
珠三角方面,，以廣州市南沙區(qū)為例，已成立人工智能研究院,、推出產(chǎn)業(yè)基金,，并打造人工智能產(chǎn)業(yè)園?！稄V州南沙人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展三年行動(dòng)計(jì)劃（2018-2020年）》提出,，到2020年，建成國(guó)際領(lǐng)先的人工智能產(chǎn)業(yè)集聚區(qū),，形成一批富有活力和可持續(xù)發(fā)展的“AI+”新型產(chǎn)業(yè),。
人工智能的標(biāo)準(zhǔn)化也在進(jìn)行中。2018年1月,，國(guó)家人工智能標(biāo)準(zhǔn)化總體組,、專家咨詢組成立,，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化工作,。今年4月，國(guó)家人工智能標(biāo)準(zhǔn)化總體組第二次全體會(huì)議召開,，發(fā)布了人工智能開源與標(biāo)準(zhǔn)化研究,、人工智能倫理風(fēng)險(xiǎn)分析等研究成果，《國(guó)家新一代人工智能標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)指南》也進(jìn)入審改完善階段。
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