PsiQuantumQ1芯片（來(lái)源：PsiQuantum）

后摩爾時(shí)代，全世界的科學(xué)家們都在尋找新的計(jì)算體系和架構(gòu)來(lái)突破算力瓶頸。量子和光被寄予了厚望，并且在經(jīng)歷了數(shù)十年的實(shí)驗(yàn)室研究和學(xué)術(shù)探討之后，終于開始接近成為一個(gè)商業(yè)命題。

上個(gè)月底，美國(guó)光量子計(jì)算創(chuàng)企PsiQuantum宣布，已完成4.5億美元的D輪融資。由美國(guó)投資管理公司貝萊德（BlackRock）領(lǐng)投，微軟M12風(fēng)險(xiǎn)投資基金等跟投。而在5月，PsiQuantum剛和晶圓廠Global Foundries宣布合作推出Q1量子系統(tǒng)，且雙方正在生產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)部件和芯片。PsiQuantum稱，本輪融資將主要用于建造世界上第一臺(tái)具有商業(yè)可行性的量子計(jì)算機(jī)。

中國(guó)資本也同樣開始關(guān)注這一領(lǐng)域。今年2月剛成立的圖靈量子團(tuán)隊(duì)，三個(gè)月后即宣布完成近億元人民幣天使輪融資，由聯(lián)想之星領(lǐng)投，中科神光、前海基金、源來(lái)資本、小苗朗程跟投。脫胎于上海交通大學(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心，圖靈量子的研究團(tuán)隊(duì)同時(shí)在光量子信息和光子芯片領(lǐng)域研究十余年。圖靈光子創(chuàng)始人、上海交通大學(xué)集成量子信息技術(shù)研究中心主任金賢敏教授介紹，融資將主要用于光量子計(jì)算芯片以及光量子計(jì)算機(jī)的研發(fā)。

基于光與量子的超越摩爾的漫長(zhǎng)產(chǎn)業(yè)化征程也由此撕開了一道口子，而挑戰(zhàn)才剛剛開始。

算力真正爆發(fā)的前夜：光與量子能帶來(lái)什么？

人工智能（AI）正在深入改變諸如智能駕駛、語(yǔ)音翻譯、新零售、醫(yī)療診斷等諸多領(lǐng)域，但計(jì)算速度、算力以及功耗問(wèn)題正在成為AI進(jìn)一步發(fā)展的主要瓶頸。

OpenAI發(fā)布的分析數(shù)據(jù)顯示，自2012年以來(lái)，AI訓(xùn)練對(duì)算力的需求每3.43個(gè)月翻一番。這一增速明顯快于摩爾定律——作為過(guò)去幾十年來(lái)統(tǒng)治計(jì)算的一個(gè)基準(zhǔn)法則，摩爾定律指出，微處理器芯片上的晶體管數(shù)每18-24個(gè)月翻一番。這意味著，基于馮·諾依曼架構(gòu)的電子計(jì)算機(jī)已無(wú)法滿足大數(shù)據(jù)時(shí)代對(duì)算力與功耗的要求。此外，隨著晶體管尺寸逼近物理尺寸極限，摩爾定律還將面臨散熱等無(wú)法克服的挑戰(zhàn)。

近幾年，關(guān)于用量子和光學(xué)芯片加速AI的研究逐漸興起。“也許我們正處在計(jì)算能力真正爆發(fā)的前夜。”金賢敏對(duì)指出，而提高算力的根本性對(duì)策在于提高運(yùn)算速度和降低運(yùn)算功耗。

這一點(diǎn)上，光學(xué)將能讓計(jì)算機(jī)芯片設(shè)計(jì)克服電子學(xué)的根本局限，因?yàn)楣庾邮钱?dāng)前速度最快的粒子，相較電子，具有更速度、更低功耗以及低延時(shí)等特點(diǎn)，且不易受到溫度、電磁場(chǎng)和噪聲變化的影響，光子芯片因而也被包括金賢敏在內(nèi)的海內(nèi)外科學(xué)家視作最有可能替代電子芯片的未來(lái)基礎(chǔ)性核心技術(shù)，也是超越摩爾定律的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一。

與此同時(shí)，量子計(jì)算是后摩爾時(shí)代突破算力瓶頸另一項(xiàng)被寄予厚望的技術(shù)。相比之下，量子計(jì)算經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)形成了比較成熟的理論體系。利用量子力學(xué)的反直覺(jué)特性，可以大幅加速某些類型的計(jì)算。這讓量子計(jì)算機(jī)在原理上具有超快的并行計(jì)算能力，可望通過(guò)特定算法在一些具有重大社會(huì)和經(jīng)濟(jì)價(jià)值的問(wèn)題方面（如機(jī)器學(xué)習(xí)，密碼破譯、大數(shù)據(jù)優(yōu)化、材料設(shè)計(jì)、藥物分析等）相比經(jīng)典計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)別的加速。

不過(guò)盡管優(yōu)勢(shì)眾多，但是過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間，光學(xué)技術(shù)主要應(yīng)用于通信傳輸領(lǐng)域，借助光的更快速度、更高容量等特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，在計(jì)算領(lǐng)域則進(jìn)展緩慢。由于光計(jì)算的應(yīng)用場(chǎng)景不清晰，軟硬件體系也不夠完善，因而關(guān)于如何用光子代替電子芯片執(zhí)行計(jì)算的想法長(zhǎng)期停留在研究階段。

量子計(jì)算的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用也面臨工程和材料上的難題。近年來(lái)全球?qū)α孔佑?jì)算的投入持續(xù)上漲，據(jù)粗略統(tǒng)計(jì)，包括美國(guó)、英國(guó)、中國(guó)和德國(guó)在內(nèi)的各國(guó)政府合計(jì)已投入數(shù)十億美元以推進(jìn)量子研究。國(guó)外高科技企業(yè)如谷歌、IBM、微軟、英特爾等在量子計(jì)算技術(shù)方面投入了大量資源，在推動(dòng)量子計(jì)算技術(shù)由基礎(chǔ)研究向工程化發(fā)展邁進(jìn)方面取得了顯著的成效，但目前量子計(jì)算機(jī)的研究還處于十分初級(jí)的階段。耶魯大學(xué)應(yīng)用物理教授Steven Girvin博士此前曾對(duì)指出，量子計(jì)算機(jī)還處于普通電腦1940年的階段，相當(dāng)于“剛剛做出了真空管，或者剛剛發(fā)明晶體管這樣的階段”。

光量子芯片或是通向大規(guī)模通用量子計(jì)算的最可行路徑

如今，隨著以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算為主的AI應(yīng)用的普及，需要巨大數(shù)據(jù)計(jì)算量以及高計(jì)算速度的深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等相關(guān)應(yīng)用，將最有可能成為光計(jì)算以及量子計(jì)算的“殺手級(jí)應(yīng)用”。

但是光與量子各自面臨著不同程度的產(chǎn)業(yè)化落地困境。

構(gòu)建實(shí)用的光學(xué)計(jì)算機(jī)需要材料科學(xué)、光子學(xué)、電子學(xué)等領(lǐng)域的研究人員之間的廣泛跨學(xué)科努力和合作。此外，盡管研究表明光子處理器具有較高的單位面積計(jì)算能力和潛在的可伸縮性，但是全光學(xué)計(jì)算規(guī)模（光學(xué)人工神經(jīng)元的數(shù)量）仍然很小。同時(shí)，由于存在固有地吸收光的計(jì)算元件，且電信號(hào)和光信號(hào)經(jīng)常需要轉(zhuǎn)換，去能量效率也同樣會(huì)受到限制。

同樣的，量子計(jì)算機(jī)也還處在早期發(fā)展階段，目前主流的技術(shù)路徑有超導(dǎo)、半導(dǎo)、離子阱、光學(xué)以及量子拓?fù)溥@五個(gè)方向。金賢敏指出，而要實(shí)現(xiàn)通用的量子計(jì)算機(jī)有三個(gè)前提——百萬(wàn)量子比特的操縱能力、低環(huán)境要求、高集成度。

在這個(gè)意義上，光量子計(jì)算機(jī)與其他技術(shù)路線相比具有明顯的優(yōu)勢(shì)。而光量子路徑也是唯一能夠滿足這些條件的技術(shù)體系，是通向大規(guī)模通用量子計(jì)算的最可行路徑。金賢敏解釋，因?yàn)榱孔佑?jì)算的實(shí)現(xiàn)，不能脫離現(xiàn)有大規(guī)模的半導(dǎo)體工藝。沿用成熟的CMOS半導(dǎo)體制程，光量子芯片可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的生產(chǎn)和制備。基于光量子芯片進(jìn)行的快速試錯(cuò)和迭代，為構(gòu)建商用量子計(jì)算機(jī)提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

“可以說(shuō)現(xiàn)在的光量子芯片，處于當(dāng)年電子芯片的仙童半導(dǎo)體時(shí)代。”金賢敏稱，當(dāng)前光量子芯片發(fā)展正處于類似當(dāng)年大規(guī)模集成電路發(fā)展初期的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，即將爆發(fā)的關(guān)鍵前期節(jié)點(diǎn)。而從全球來(lái)看，目前各國(guó)在量子與光子計(jì)算領(lǐng)域均未形成絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)階段各國(guó)研發(fā)基本處于同一起跑線，對(duì)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)界來(lái)說(shuō)具備換道超車的重大戰(zhàn)略機(jī)遇。金賢敏進(jìn)一步解釋，目前這個(gè)領(lǐng)域還處于剛剛起步階段，還不夠大，不像電子芯片那么細(xì)化，“現(xiàn)在我們一個(gè)團(tuán)隊(duì)就可以把目前光子芯片設(shè)計(jì)的EDA軟件搞定。”

了解到，圖靈量子團(tuán)隊(duì)目前已掌握了自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的三維和超高速光子芯片核心技術(shù)與工藝，從設(shè)計(jì)、流片到封裝測(cè)試，再到系統(tǒng)集成和量子算法，可實(shí)現(xiàn)光量子計(jì)算芯片的全鏈條研發(fā)。目前，已有大量的量子算法內(nèi)核在光量子計(jì)算芯片上得到了實(shí)現(xiàn)。金賢敏稱，基于底層技術(shù)的相通性，未來(lái)將實(shí)現(xiàn)與光有關(guān)的技術(shù)全覆蓋。其中光子芯片技術(shù)，在獲得規(guī)模化商用后有望可以解決我國(guó)芯片“卡脖子”的難題，擺脫受制于關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵設(shè)備的困境。

超越摩爾之路：未來(lái)是“架構(gòu)為王”的時(shí)代

在后摩爾時(shí)代的突破算力瓶頸的探尋之路上，金賢敏認(rèn)為，未來(lái)一定是“構(gòu)架為王”的時(shí)代，光量子芯片憑借全新的構(gòu)架和大算力等特點(diǎn)，有望創(chuàng)造全新的機(jī)會(huì)。在他看來(lái)，隨著量子計(jì)算技術(shù)和光量子集成能力持續(xù)演進(jìn)，混合光量子計(jì)算架構(gòu)、光子計(jì)算，以及人工智能光子處理器會(huì)展現(xiàn)出巨大潛能。

此外，另一個(gè)研究途徑是發(fā)展先進(jìn)的非線性集成光子計(jì)算體系結(jié)構(gòu)，即通過(guò)將電子電路和數(shù)千或數(shù)百萬(wàn)個(gè)光子處理器集成到合適的體系結(jié)構(gòu)中，同時(shí)利用光子和電子處理器的混合光電框架可能在不久的將來(lái)，帶給AI硬件革命性的變化。這些硬件將在通信、數(shù)據(jù)中心操作和云計(jì)算等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。

不管哪一種技術(shù)路徑，架構(gòu)創(chuàng)新成為未來(lái)計(jì)算創(chuàng)新的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí)。

比如英特爾近年來(lái)一直在推進(jìn)的XPU戰(zhàn)略，就是用不同的架構(gòu)去處理不同類型的數(shù)據(jù)，根據(jù)處理速度和帶寬的不同要求去優(yōu)化。其中，CPU適宜處理標(biāo)量架構(gòu)，GPU則適宜處理矢量運(yùn)算，AI則更多是塊狀運(yùn)算，F(xiàn)PGA則適合做一些稀疏的運(yùn)算，可以大幅度降低I/O以及計(jì)算的消耗。“把它們整合起來(lái)就能各取所需，打組合拳會(huì)好過(guò)只用一種武器去解決所有問(wèn)題。”在今年世界人工智能大會(huì)期間，英特爾研究院副總裁、英特爾中國(guó)研究院院長(zhǎng)宋繼強(qiáng)指出，他還特別介紹了集成光電的創(chuàng)新路徑，認(rèn)為光是替代銅的非常好的互聯(lián)介質(zhì)替代品。而針對(duì)光本身的一些問(wèn)題，如光的器件都比較大，光和電之間的轉(zhuǎn)換也比較困難且效率不高。而英特爾正在從幾個(gè)方面解決這一問(wèn)題。首先是把光器件與電器件緊密封裝在一起，減少兩端轉(zhuǎn)換的損耗；其次是制作出收發(fā)器，以更小的模式放到服務(wù)器當(dāng)中，比如硅光產(chǎn)生、光的發(fā)射、調(diào)制，接收端的檢測(cè)、放大等光處理的中間過(guò)程的幾個(gè)模塊做成非常小的模塊，可以和CMOS光處理器件整合到一個(gè)芯片中，這樣集成的光電可以大幅度縮小系統(tǒng)的尺寸和功耗。

超越摩爾的探索之路剛剛開始，但無(wú)論是傳統(tǒng)電子芯片，還是未來(lái)的光與量子，都需要經(jīng)過(guò)一個(gè)漫長(zhǎng)的技術(shù)積累的過(guò)程。在傳統(tǒng)電子芯片時(shí)代，國(guó)外巨頭們正是通過(guò)漫長(zhǎng)的技術(shù)迭代，通過(guò)產(chǎn)業(yè)落地和應(yīng)用的規(guī)模化，誕生了一個(gè)又一個(gè)“偉大的科技公司”。同理，在未來(lái)的光與量子計(jì)算的領(lǐng)域，也必將經(jīng)歷這樣一個(gè)過(guò)程。（Sharon）

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