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中國“芯”助跑人工智能
發布時間：2019-09-19 分類：趨勢研究 來源：新京報
白冰和團隊設計制作的硅光AI芯片。
白冰正在超凈實驗室操作半自動芯片測試平臺。
從三國的“木牛流馬”到現代的自動駕駛，讓“物”具有一部分人的智能，是人類一直以來的夢想。
近年來，中國在人工智能各個領域全面發力。以機器人為例，《2019年中國機器人產業發展報告》顯示，今年我國機器人市場規模預計達到86.8億美元，2014-2019年的平均增長率達到20.9%。
人工智能發展離不開計算能力的飛躍，芯片就是計算機的大腦。如今，國內多個團隊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就讀光電子專業。
那時，距離圍棋“人機大戰”還有很多年，自動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物理光學專業，并在澳大利亞讀完碩士。2014年，25歲的白冰結束4年留學生涯，回國攻讀博士。“我那時候經常去聽各種學術會議，結識了各種志同道合的朋友，也認識整個芯片行業上下游的各種企業。”
2017年，白冰開始創業，組建了全球第二個光子人工智能芯片研究團隊。他們制作的光子芯片——硅光AI芯片，有望擺脫對國外高制程光刻機的依賴，成為我國在芯片領域換道超車的核心技術。
有了更多更強更好用的芯片，人工智能產業得以蓬勃發展，《2019-2020中國人工智能計算力發展評估報告》提到，圍繞京津冀、長三角、大灣區三大經濟圈形成的人工智能三大產業集群已初具雛形。
“光子芯片”——讓光提供運算能力
我們的世界充滿著光。
用光做傳輸信號，讓光轉換為能量，大家都能理解，但說到讓光提供運算能力，不少人都是一頭霧水。
光子芯片，就能向光“要來”運算能力，是白冰和團隊致力研發的領域。
目前，業界使用的芯片一般為電子芯片（半導體芯片），即超大規模集成電路，一塊芯片上有幾百萬的晶體管。而光子芯片上有無數個光學開關器，利用不同波長、相位和強度的光線組合進行信息處理。
“對于光來說，傳輸就是計算。比如光通過一個透鏡發生折射，你通過透鏡看到另一端的物體變形了。圖像經過轉化傳到你的眼睛的過程中，透鏡使得圖像發生了變化，這就是一個計算的過程。”白冰說。
白冰和初創團隊多有光通信背景，對于使用光進行計算的想法，白冰覺得很自然，“技術已經到了這個程度”。這也是他們團隊的優勢，因為很多現成的光學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，如果一個芯片跑得非常快、非常省電，一定是芯片的物理結構與軟件高度匹配，才能實現高效率。現在的人臉識別、自動駕駛、安防監控、AI金融、AI醫療等功能，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。
實現人工智能需要大量線性運算，而光子芯片天生適合線性計算——算法高度匹配，計算速度比普通電子芯片高。“光學計算芯片在實驗室一直存在，但長期沒有比較好的應用場景，無法落地應用，人工智能的發展使得光子芯片有了用武之地。”白冰說。
2017年中，白冰和團隊想法成熟，開始著手畫圖和設計。
“設計用了幾個月，2018年初做出了芯片。”白冰說，芯片的設計、加工、封裝、測試全部在國內完成，最初花費近百萬元，他自掏腰包。
他們制作的硅光AI芯片采用國內130nm微電子工藝，工藝制程容忍度很高，擺脫了對于國外高制程光刻機的依賴，國內很多廠商都能做。“光子芯片可以說是我國在芯片領域換道超車的核心技術。”
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，全國雙創周北京主會場，白冰和團隊已經拿出硅光AI芯片樣本，吸引了很多人駐足。當年第四屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽總決賽上，白冰作為負責人的創業項目《光子人工智能芯片》參加比賽并獲得銀獎。
如今，他們在中關村國防科技園有了自己的辦公室，建立了超凈實驗室，光子人工智能芯片項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人工智能領域的應用與發展。目前，光子人工智能芯片的產品主要集中于云端，之后將推向設備端。
智慧城市的“大腦”
功耗是光子芯片的另一大賣點。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勢。
“電子芯片的功耗比已經到了瓶頸，但是光子芯片的能力還遠沒有到頂。我們希望更多資源進來，一起優化光子芯片的能力。”白冰介紹，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10T/W。
中科院上海微系統所所長助理秦曦介紹，集成電路的發展已趨于極限，而通過硅光集成，用光代替原來的電進行傳輸，成本有可能降低到原來的十分之一，甚至更低。
前不久，國內三大運營商都采購了光子芯片進行功耗測試。在未來的智慧城市建設中，光子芯片被寄予厚望。
“智慧城市需要建設很多‘智慧大腦’作為信息處理中心，然后通過5G將計算能力傳出去。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用于自動駕駛、智能機器人、工業物聯網等領域。
下一步，白冰團隊將在硬件基礎上提供底層工具，希望國內高校、科研院所以及企業，共同參與，建立完整的光子芯片生態系統。
多所高校正在光子芯片領域攻堅。今年第五期《半導體學報》上，北京大學物理學院陳建軍研究員介紹，光子芯片技術的逐漸成熟必將引起光信息技術領域的又一次革命，將在通信、醫療、計算、國防、能源等領域產生顛覆式的革新。
“井噴”的人工智能芯片
光子芯片不是唯一能實現人工智能的芯片。
近兩年的全國雙創周上，不少企業推出了其他種類豐富的人工智能芯片。
例如，清微智能研發的可重構芯片，可在超低功耗下實現人臉識別。
可重構是清微智能的核心技術。首席技術官歐陽鵬解釋，所謂可重構，就是沒有把整個電路做“死”。例如，人臉檢測和語音識別是兩個應用、兩個算法，對應的是兩個不同的電路，“這兩個不同的電路，我們只用一顆芯片，切換一下，就能從一個電路變成另外一個電路。實現這一技術有很多難點，比如如何讓電路切換更加高效，用了很長時間才實現相對穩定。”
存算一體芯片領域，也有團隊在深耕。
知存科技是國內唯一一家應用存算一體技術的公司。工作人員易金剛解釋，儲存和運算分開，數據進行交互時就會產生大量的數據吞吐。隨著用戶對視頻和語音等應用的需求越來越大，數據吞吐率成為技術發展的瓶頸，把計算和存儲盡可能融合在一起，是一個解決方案。以智能耳機為例，芯片經過訓練后，能學習音量增大、音量減小、上一首、下一首、開機、關機等關鍵詞，因為采用神經網絡計算模式，匹配度極高。
易金剛表示，目前人工智能有幾大主流分支，最重要的就是神經網絡計算，通過不斷迭代和推理過程來完成人工智能計算，很多大公司在做，但是需要借助云端服務。“我們這個產品把云端放到端點這邊來解決，把神經網絡學習和計算中最復雜、最耗代價的部分通過存算一體芯片來完成。”
北京靈汐科技生產的自行車，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。自行車還能進行語音辨認，履行轉向、加速等多種操作。
“自行車僅僅是一個載體，核心技術就是類腦芯片。這輛車本身的造價為40萬元，而芯片的研制本錢超過1億元。”北京靈汐科技公司副總經理梅迪說。
上個月，清華大學發布全球首款異構融合類腦芯片，并登上了Nature雜志封面。其實，這款芯片也曾在雙創周多次亮相。
我國有望形成人工智能三大產業群
我國芯片產業起源于上世紀50年代，1953年，蘇聯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道路，盡管面臨國際技術封鎖，落后并不多，但在隨后的世界芯片業快速發展期，差距被迅速拉大。
1977年，全國600多家半導體生產工廠，一年生產的集成電路總量，只等于日本一家大型工廠月產量的十分之一。
痛定思痛之后，我國先后推出“909工程”以及“國產高性能SOC芯片”“龍芯2號增強型處理器芯片設計”等課題。
2014年，總額超1200億元國家集成電路產業投資基金成立，專為促進集成電路產業的發展而設立。
如今，以光子芯片為代表，“中國芯”正受到更多關注。
2017年底，工信部發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018-2022年）》披露，高速率光子芯片國產化率僅3%左右，并提出2022年中低端光子芯片國產化率超過60%，高端光子芯片國產化率突破20%的目標。
在北京，以芯片等為代表的高新技術，正在引領產業轉型和升級，一些芯片企業開始在國內甚至國際市場嶄露頭角。
國內首家碳化硅芯片企業總經理陳彤表示，半導體技術發展了近半個世紀，總體上這幾年來各個方向都碰到了瓶頸。“現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。這是近年全球出現的一個技術升級換代的趨勢，這個新趨勢就為國內的新企業、新供應商提供了機會，進入這個常被國外大企業壟斷封鎖的高端行業。”
陳彤認為，芯片行業競爭沒有國界限制，只能拼質量、拼服務、拼技術，沒有捷徑可走。他的企業前前后后花了兩個多億，才能搶占一個橋頭堡。“投錢建線的過程就要兩三年，投產爬坡又要五六年。”陳彤說。
得益于芯片產業的扎實基礎，我國人工智能產業快速發展。
2019中國人工智能計算大會發布的《2019-2020中國人工智能計算力發展評估報告》提到，圍繞京津冀、長三角、大灣區三大經濟圈形成的人工智能三大產業集群已初具雛形。
各城市正在不同領域發力。
北京市經信局局長王剛此前透露，北京正在制定《北京市機器人產業創新發展行動方案》，或將構建醫療健康機器人、特種機器人、協作機器人、倉儲機器人和關鍵零部件4+1產業發展格局。到2021年，培育三到五家細分領域龍頭企業，機器人及相關產業收入超過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重大專項，計劃到2021年建成全國硅光子芯片研發和中試基地，到2025年量產平臺實現芯片批量供貨，成為國際知名硅光子的研發、制造基地。
珠三角方面，以廣州市南沙區為例，已成立人工智能研究院、推出產業基金，并打造人工智能產業園。《廣州南沙人工智能產業發展三年行動計劃（2018-2020年）》提出，到2020年，建成國際領先的人工智能產業集聚區，形成一批富有活力和可持續發展的“AI+”新型產業。
人工智能的標準化也在進行中。2018年1月，國家人工智能標準化總體組、專家咨詢組成立，推進標準化工作。今年4月，國家人工智能標準化總體組第二次全體會議召開，發布了人工智能開源與標準化研究、人工智能倫理風險分析等研究成果，《國家新一代人工智能標準體系建設指南》也進入審改完善階段。
