Whoscored中文官网 | 编译自 Scientific Computing World
光子计算技术在研究产出和技术发展方面正在快速增长，产品也正在进入市场。这场新的计算革命将如何影响科学家和工程师的研究能力？
光子技术为大规模计算基础设施的数据处理速度提供了巨大的潜在优势，同时也有望减少网络和通信的能耗。这项技术对先进的计算基础设施，如超级计算机（HPC和AI）、云计算、数据中心网络甚至量子计算都有巨大影响。
性能瓶颈和能源效率是使用HPC和AI系统的科学家和研究人员越来越关注的问题，因为它们有可能限制应用性能或使大规模计算不可持续。
更高效的人工智能
2023年3月，牛津大学分拆出来的Lumai公司获得了110万英镑的英国创新智能资助金，以推动其在全光网络训练和深度光学方面的工作商业化，实现更快、更有效的计算。
2022年1月，Lumai从牛津大学分离出来，正在为下一代人工智能开发全光神经网络。凭借110万英镑的英国创新智能资助金，该公司正在创建先进的光学计算处理器，其中的信息流和计算不依赖于电子处理。该资助是与牛津大学联合授予的，继其之前从IP集团和Runa资本获得的资金之后。
现有的基于晶体管的数字电子产品正在极尽全力支持人工智能，特别是随着计算需求的爆炸性增长，支持ChatGPT等突破性人工智能模型。为了应对这一问题，Lumai的计算平台能够进行节能和超快速的并行处理。Lumai的光学神经网络可以比现有的基于晶体管的数字电子产品快1000倍，而且更具有可持续性。
这笔资金将支持Lumai为高性能计算和机器视觉建立和推出光学神经网络，同时引领先进光学技术的发展。
Lumai公司的首席执行官Tim Weil评论说："获得英国创新署的创新智能资助金是对团队创造光学计算机的愿景和热情的证明，这种计算机比传统的电子产品速度快得多，能耗也低。从牛津大学分离出来后，我们在创新英国项目中合作，进一步提高这些先进的光学系统的能力是非常合适的。我们很高兴能把Lumai改变游戏规则的技术带到世界上，我们期待着在英国市场和其他地方打下我们的烙印"。
加速HPC和GPU计算
HPC和AI系统的持续扩展有赖于能源效率的大幅提高。今天最大的超级计算机可以消耗多达20兆瓦的能源，随着人工智能的持续需求，能源需求可能会上升。
对于HPC系统供应商或管理或提供HPC集群的人来说，降低能源效率并不是一个新概念。多年来，人们一直在讨论20兆瓦的功率包络，用于超大规模计算。Frontier可能以很小的幅度错过了20兆瓦的目标，但是该系统显示了HPC行业在开发高效HPC系统方面已经取得了很大进展。例如，Sunway TaihuLight超级计算机在2016年推出时，是世界上最强大的系统。在2022年11月版的Top500中，该系统现在排在第7位，提供了93 PFlop/s（每秒百万次）的峰值性能，功耗为15,371千瓦（15.3兆瓦）。相比之下，2022年推出的LUMI系统的性能几乎是Sunway TaihuLight的三倍，达到309 PFlop/s，但消耗的功率仅为6,016 kW（6.0 MW）。
然而，随着HPC云和人工智能计算的不断发展，更多的科学家和研究人员获得了先进的计算基础设施。云计算和人工智能市场仍有很大的增长空间。随着对人工智能超级计算机需求的增长，必须采取措施使该技术更具有可持续性。
在生命科学的几个关键垂直细分市场领域，如生物技术和制药，正在转向使用人工智能对医疗图像进行分类，并协助寻找新的药物和治疗方法。在工程领域，已经从传统的测试和验证转变为复杂的数字双胞胎，并在模拟中进行全面的数字验证和测试。汽车市场也出现了为自动驾驶训练大规模模型的需求，以及人工智能在其他应用中的使用，如拓扑结构优化。在科学和工程领域，数据密集型工作负载的增长加剧了这种影响。
将光子技术整合到经典的计算中，可以帮助大大减少跨系统移动数据的功率预算。虽然这可能看起来微不足道，但训练人工智能模型需要大量的数据
光子计算有望为计算元素之间的数据传输和通信开辟新的可能性，这可以显著提高HPC的性能。几个早期的参与者已经在这个市场上合并，他们的技术可能会在未来的超级计算机中找到出路。
Lightelligence是麻省理工学院的一个衍生公司，利用光子学为人工智能重塑计算。该公司在2021年推出了其第一个完全集成的光学计算平台PACE（光子算术计算引擎）。PACE利用光的固有特性，生成Ising、Max-Cut和Min-Cut问题的最佳解决方案，比目前的高端GPU快800多倍，同时保持高吞吐量、低延迟和能源效率。
在2021年接受麻省理工学院新闻采访时，LightIntelligence公司首席执行官沈亦晨博士评论说： "我们正在改变计算的基本方式，我认为我们是在历史上的正确时间做这件事。我们相信光学将成为下一个计算平台，至少对于像人工智能这样的线性操作而言"。
PACE平台也有可能用于自动驾驶系统，并在某些应用中显示出比高端GPU更强大。"我们的芯片以普通芯片的一小部分时间完成这些决策任务，这将使汽车内的人工智能系统能够做出更快的决定和更精确的决策，实现更安全的驾驶"，沈说。
支撑PACE的核心技术是一个集成硅光子芯片和CMOS微电子芯片的64x64光学矩阵乘法器，倒装芯片封装在一起。除了先进的3D封装外，PACE的光子芯片包含12000多个分立光子器件，系统时钟为1GHz。
克服内存瓶颈
2022年，惠普公司和光子计算初创公司Ayar Labs最近签署了一项多年的战略合作，通过开发基于光I/O技术的硅光子学解决方案来加速计算系统和数据中心的网络性能。随后不久，有消息称Ayar Labs获得了1.3亿美元的额外资金，这些资金来自Boardman Bay资本管理公司、惠普公司（HPE）和Nvidia，以及多个新的和现有的金融投资者，其中包括GlobalFoundries和Intel Capital。
硅光子学将增强网络能力，支持高性能计算（HPC）、人工智能（AI）和云计算架构的未来需求。该技术还有可能减少数据中心和大型计算系统的能耗。
Ayar Labs的商业运营高级副总裁Hugo Saleh表示：萨利赫说："无论你谈论的是HPC，还是分解计算，I/O都有一个真正的限制。在HPC中，它通常被称为内存瓶颈。这不是一个内存容量问题。它是将数据从内存DIMMs转移到CPU并返回的能力。另一个已经被看到和谈论了很多的瓶颈是GPU上的瓶颈。在CPU和GPU之间传输数据，然后再次，在GPU本身和内存之间。"
"我们在Ayar Labs所做的是试图改变数据传输的物理领域"，Saleh指出。“从电力、电压和电流，到光子。而我们做的是直接从插座中出来。因此，它不是服务器后面的收发器，也不是中间板的光学器件。我们设计的小芯片（chiplets）位于封装内，几乎与CPU、内存、GPU或加速器紧贴在一起。我们对主机ASIC是不可知的。然后，我们将光子和光传输到封装外，用于高速、低功耗的I/O。"
Ayar Labs在2019年超级计算大会上首次展示了这项技术，该大会是每年在美国举行的会议和展览。"我们有一个完整的测试平台。我们在丹佛举行的2019年超级计算大会上首次向HPC社区展示了我们的技术。从那时起，我们已经发布了两个关于whoscored中文版与英特尔合作的项目的公告。同时，英特尔自己也展示了一个装有我们的光子学的FPGA，以更低的功率传输大量的数据"，Saleh说。
这项技术可以大规模提高未来HPC和AI系统的内存带宽。每个小芯片提供相当于64个PCIe第5代通道，提供每秒2兆位的I/O性能。该系统使用标准的硅制造技术和分解的多波长激光器来实现高速、高密度的芯片对芯片通信，其功耗在皮焦耳范围内。Ayar Labs与GlobalFoundries一起开发了其技术，作为其单片硅光子学平台的一部分。
Saleh说："我们与GlobalFoundries合作开发了一种单片工艺，它可以让你把电子和光学元件放在同一个芯片上。很多传统的光学器件都是独立的，我们把它全部合二为一，这就简化了我们的客户在封装所有这些部件时的工作，它降低了功率、成本和延迟。"
GF Fotonix是Global Foundries的下一代单片平台，它是业内第一个在硅片上结合其300毫米光子学功能和300GHz级RF-CMOS的平台。该工艺被设计用来提供规模化的性能，并将用于开发光子计算和传感应用。Ayar Labs还帮助GF开发了一个先进的电光PDK，将于2022年第二季度发布，并将集成到电子设计自动化（EDA）供应商的设计工具中。
戴尔支持光子量子计算初创公司
4月，一家以色列光子量子计算创业公司Quantum Source宣布，由于戴尔技术资本（DTC）的现金注入，它的种子轮融资已经扩大到2700万美元。旨在开发商业上可行的光子量子计算机。该公司将利用1200万美元的资金来扩大其研究和开发团队，因为它的规模达到了重要的技术和性能里程碑。
在这种情况下，光子量子计算使用光子作为量子比特的代表。Quantum Source公司使用一种独特的方法来产生光子和量子门，其效率比最先进的实现方式高五个数量级。
Quantum Source公司的联合创始人兼首席执行官Oded Melamed评论说："我们创立公司的信念是，光子量子技术是实现大规模、容错的量子计算机的最佳途径。我们独特的方法将极大地提高这些机器的可扩展性，并将成为量子计算机商业成功的关键。有像戴尔技术资本这样的投资者相信我们，将使我们能够加速我们的工作，并延伸到整个行业。"
由半导体行业资深人士和有成就的物理学家组成的团队于2021年成立的Quantum Source公司，正在开发有效实现大规模、容错、光子量子计算机的技术。到目前为止，该公司已经建立了只有几十或几百个量子比特的小型量子计算机。虽然这些初级的量子计算机是真正的突破性技术，但这些系统在商业上还不可行。
戴尔技术资本的合伙人Omri Green评论说："DTC投资于能够推动行业发展的技术。我们相信量子计算有这样的潜力，作为我们在这个领域的第一笔投资，Quantum Source公司可以成为让我们达到目的的团队。Oded和这个由科学家和成熟的企业家组成的杰出团队正在解决光子量子中的关键障碍，可扩展性和容错性。一旦这些挑战得到解决，创新的上升空间将是无限的。"
总部设在英国的ORCA计算公司，为机器学习开发光子量子系统。ORCA去年筹集了1500万美元，正在领导一个研究项目，以开发一个 "量子数据中心"。其他致力于光子量子计算的公司包括得到良好支持的加拿大初创公司Xanadu、PsiQuantum，该公司获得了900万英镑的资金，在英国开设了一个研究机构，为大规模量子计算开发高功率低温系统。
"光作为一种有效的、可扩展的资源，在未来的量子计算中发挥着巨大的作用"，ORCA计算公司的联合创始人兼首席执行官理Richard Murray博士在接受伦敦帝国学院采访时说。"我们的任务是在今天把光子系统交到用户手中，这样我们就能在短期以及长期内提供价值。"
最新一轮的风险投资为ORCA带来了1500万美元（约1200万英镑），以进一步开发其光子量子计算系统，以及未来应用所需的软件。这笔资金由Octopus Ventures牵头，包括牛津科学企业、Quantonation和Verve Ventures。
Murray博士说："我们非常高兴在我们的发展中得到一些欧洲最有知识的量子和深度技术投资者的加入。他们的支持将使我们能够加快ORCA的短期和长期量子系统的发展。"
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