中國“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“芯”助跑人工智能
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從三國的“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,，是人類一直以來的夢(mèng)想,。
近年來,，中國在人工智能各個(gè)領(lǐng)域全面發(fā)力,。以機(jī)器人為例,，《2019年中國機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告》顯示,，今年我國機(jī)器人市場規(guī)模預(yù)計(jì)達(dá)到86.8億美元,，2014-2019年的平均增長率達(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，人工智能尚在萌芽中,。
本科后兩年,，白冰交換到澳大利亞國立大學(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),。”
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)國外高制程光刻機(jī)的依賴,，成為我國在芯片領(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”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的晶體管。而光子芯片上有無數(shù)個(gè)光學(xué)開關(guān)器,，利用不同波長,、相位和強(qiáng)度的光線組合進(jìn)行信息處理。
“對(duì)于光來說,，傳輸就是計(jì)算,。比如光通過一個(gè)透鏡發(fā)生折射，你通過透鏡看到另一端的物體變形了,。圖像經(jīng)過轉(zhuǎn)化傳到你的眼睛的過程中,，透鏡使得圖像發(fā)生了變化，這就是一個(gè)計(jì)算的過程,?！卑妆f。
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)芯片跑得非常快,、非常省電,，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?！肮鈱W(xué)計(jì)算芯片在實(shí)驗(yàn)室一直存在,，但長期沒有比較好的應(yīng)用場景，無法落地應(yīng)用,，人工智能的發(fā)展使得光子芯片有了用武之地,。”白冰說,。
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?！卑妆f,，芯片的設(shè)計(jì)、加工,、封裝,、測試全部在國內(nèi)完成，最初花費(fèi)近百萬元,，他自掏腰包,。
他們制作的硅光AI芯片采用國內(nèi)130nm微電子工藝，工藝制程容忍度很高,，擺脫了對(duì)于國外高制程光刻機(jī)的依賴,，國內(nèi)很多廠商都能做?！肮庾有酒梢哉f是我國在芯片領(lǐng)域換道超車的核心技術(shù),。”
雖然無需最新工藝,，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,，全國雙創(chuàng)周北京主會(huì)場，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“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，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)所所長助理秦曦介紹，集成電路的發(fā)展已趨于極限,，而通過硅光集成,，用光代替原來的電進(jìn)行傳輸，成本有可能降低到原來的十分之一,，甚至更低,。
前不久，國內(nèi)三大運(yùn)營商都采購了光子芯片進(jìn)行功耗測試,。在未來的智慧城市建設(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,?！?/p>
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,，人臉檢測和語音識(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)視頻和語音等應(yīng)用的需求越來越大,，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,，通過不斷迭代和推理過程來完成人工智能計(jì)算，很多大公司在做,，但是需要借助云端服務(wù),。“我們這個(gè)產(chǎn)品把云端放到端點(diǎn)這邊來解決,，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)的部分通過存算一體芯片來完成?！?/p>
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。自行車還能進(jìn)行語音辨認(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40萬元,，而芯片的研制本錢超過1億元?！北本╈`汐科技公司副總經(jīng)理梅迪說,。
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,。
我國有望形成人工智能三大產(chǎn)業(yè)群
我國芯片產(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,，我國先后推出“909工程”以及“國產(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,，“中國芯”正受到更多關(guān)注。
2017年底,，工信部發(fā)布的《中國光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖（2018-2022年）》披露,，高速率光子芯片國產(chǎn)化率僅3%左右，并提出2022年中低端光子芯片國產(chǎn)化率超過60%,，高端光子芯片國產(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)開始在國內(nèi)甚至國際市場嶄露頭角,。
國內(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),，總體上這幾年來各個(gè)方向都碰到了瓶頸,。“現(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)常被國外大企業(yè)壟斷封鎖的高端行業(yè)?！?/p>
陳彤認(rèn)為,，芯片行業(yè)競爭沒有國界限制，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?！巴跺X建線的過程就要兩三年,，投產(chǎn)爬坡又要五六年?！标愅f,。
得益于芯片產(chǎn)業(yè)的扎實(shí)基礎(chǔ)，我國人工智能產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展,。
2019中國人工智能計(jì)算大會(huì)發(fā)布的《2019-2020中國人工智能計(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,。《廣州南沙人工智能產(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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