摩爾定律遇困境：光電混合技術成為未來計算芯片的突破口

當前挑戰與光電混合的興起

隨著半導體技術的不斷發展，摩爾定律——即晶體管數量每兩年翻一番的預測——正面臨著前所未有的挑戰。傳統的硅器件在性能提升方面需要付出越來越高的成本，而這一趨勢使得尋找新的技術突破口成為當務之急。在這種背景下，光電混合技術（Optoelectronic Integration）被廣泛認為是未來計算芯片領域突破性能瓶頸的有效手段。近年來，國際固態電路會議（ISSCC）和2024年世界人工智能大會（WAIC 2024）等頂級科技會議也對光電混合技術給予了高度關注。在WAIC 2024上，曦智科技展示的前沿光電混合技術成為了討論的焦點，吸引了廣泛的業界關注。

曦智科技在WAIC 2024的展示亮點

在2024年世界人工智能大會上，曦智科技展出了其最新研發的OptiHummingbird人工智能推理卡。這款產品基于片上光網絡技術（oNOC），是全球首款全長、全高、雙插槽PCIe Gen3人工智能推理卡。OptiHummingbird不僅展示了在CPO共封裝光學技術（Co-Packaged Optics, CPO）方面的技術積累，還展現了其在光計算和光互連硬件領域的最新成果。參會觀眾對曦智科技的展臺表現出極大的興趣，詳細了解了這些前沿技術的應用前景。

光電混合技術的革命性優勢

光電混合技術被譽為“未來科技之光”，這一說法并非夸張。硅光技術通過集成光子器件在計算和傳輸方面展現了極大的優勢。光子芯片具有高速、大帶寬和低功耗的特點，能夠有效處理海量數據，避免了電信號傳輸中的噪聲和延遲問題。同時，硅光計算芯片能夠在單個芯片內集成多種光子器件，提升了集成度，并且可以與現有的硅半導體器件和制造工藝兼容，為未來的計算和通信系統提供了新的可能性。

曦智科技的OptiHummingbird人工智能推理卡充分利用了這種技術，其芯片采用了先進的3D封裝技術，將硅光芯片和微電子芯片通過中間層垂直堆疊。微電子芯片內部集成了64個計算核心，而硅光芯片則負責提供oNOC（Optical Network on Chip）片上光網絡功能。oNOC技術不僅支持單芯片內部的數據傳輸，還能夠實現封裝內多個電芯片之間的數據通信，因此在多核異構計算中扮演了關鍵角色。通過這種技術，OptiHummingbird加速卡在實現高計算性能的同時，僅需要被動散熱，硬件功耗被控制在65W以內。

前沿技術與突破性成果

曦智科技在光電混合領域的技術儲備涵蓋了多個前沿方向。其中，oMAC光子矩陣計算技術利用光子代替傳統電子進行數據處理，主要進行線性運算，包括矩陣乘法和矩陣與向量之間的運算。此外，oNET片間光網絡技術類似于一個光學總線（optical BUS），能夠在單元之間通過光纖實現數據交換。這些技術為光電混合計算提供了新的理論基礎和技術手段。

在展會上，曦智科技還展示了第二代光子計算處理器PACE。PACE的核心組件包括一個64x64的光學矩陣乘法器，由一塊硅光芯片和一塊CMOS微電子芯片通過3D封裝技術進行堆疊。PACE在運行時的系統時鐘頻率為1GHz，單個光子芯片上集成了超過10000個光子器件。展會現場的演示表明，PACE在解決復雜的最大割問題時，其性能顯著優于當時市場上領先的GPU芯片，展示了光子計算在實際應用中的巨大潛力。

推動資源池化與全光互連的應用探索

除了計算能力的突破，曦智科技還在光電傳輸技術方面進行積極探索。當前市場對光電傳輸的需求主要體現在兩個方面。首先，數據中心的計算和存儲分離式架構日益普及，這種架構對低延遲互連技術如PCIe和CXL有著極高的需求。光互連技術在實現CXL互連方面展現出了非常有效的解決方案。其次，構建全光底座（All-Optical Backbone）是數據中心和網絡建設中的重要目標，通過超大規模的全光組網、城域池化波分和全光綜合接入技術，來實現超大帶寬、超低時延和超高可靠性的網絡連接。這些需求都推動了光電混合技術的發展。

在WAIC 2024上，曦智科技展示了首款兼容PCIe和CXL協議的數據中心計算光互連硬件產品Photowave。Photowave產品系列包括標準PCIe卡、OCP 3.0 SFF卡和有源光纜等多種形態，支持x16、x8、x4和x2等不同通道配置，廣泛適用于服務器平臺、CXL交換機、存儲應用以及xPU之間的互連。Photowave在低延遲和能效方面具有顯著優勢，其數據傳輸延遲低于20納秒，而有源光纜的延遲甚至低于1納秒，功耗也控制在15瓦以下。特別值得一提的是，Photowave的核心技術是oNET片間光網絡，oNET與CXL的結合為數據中心的資源池化和橫向擴展提供了強有力的技術支持。

此外，曦智科技還展示了基于OCS（Optical Circuit Switching）技術的跨服務器XPU光互連解決方案。OCS是一種光學交叉開關原理的光信號控制交換技術，能夠在光層面上實現信號的快速、靈活的路由和切換，從而實現服務器端口的直接光學互連，避免了光電轉換帶來的能耗損失。

未來展望

根據Yole的統計數據，2022年全球硅光市場的規模達到了6800萬美元，預計到2028年將增長至6億美元，年復合增長率預期為44%。隨著硅器件計算瓶頸的加劇，光電混合技術在計算和傳輸領域的巨大潛力正逐步顯現。曦智科技憑借其在光電混合技術方面的創新努力，不僅在計算能力上取得了突破，也在數據傳輸技術上展現了前瞻性的解決方案。未來，光電混合技術有望在更廣泛的應用場景中發揮重要作用，成為推動計算和傳輸技術進步的關鍵力量。