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光电混合计算新范式

核心技术

光子矩阵计算(oMAC)、片上光网络(oNOC)及片间光网络(oNET)构成曦智科技“光电混合计算新范式”

oMAC 光子矩阵计算

oNOC 片上光网络

oNET 片间光网络

oMAC

光子矩阵计算

1. 用光来替代传统的电子进行数据处理

2. 执行线性运算,这里主要指乘法与加法,也可理解为矩阵-矩阵或矩阵-向量之间的乘法

3. 是一种模拟计算

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实现方式

采用与CMOS兼容的硅光工艺平台,光-电协同设计,结合先进封装技术

高速可调、小尺寸电光调制器设计

新颖的计算架构-基于MZI结构的相干/非相干方案

硬件-算法的协同优化

意义

光子计算并行能力更强

能效媲美电子芯片

光子计算延迟超低

工艺制程要求和成本低

oNOC

片上光网络

数据在光芯片网络中传递:

1. oNOC可以实现单个电芯片(EIC)内部的数据传输

2. oNOC也可以实现封装内部多个电芯片(EIC)之间的数据通信

3. oNOC的能效比降低至<1pJ/bit,是eNOC的1/6

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实现方式

光芯片上构建一个固定或可灵活调整的通讯网络拓扑,将不同的电芯片与其中单个或多个节点相连,实现基于oNOC的数据交互

采用形式有基于光广播的网络拓扑和基于波分复用的网络拓扑

意义

高带宽、低能耗、低延迟、距离不敏感

通用性强,可将不同类型的电子芯片与之结合,为芯片间提供高速、低能耗的互连

有利于任何有高带宽需求的应用场景

oNET

片间光网络

光芯片起到类似optical BUS的作用,将单元内部需要传输的数据集中起来,通过光传播介质(如光纤)与其他单元进行数据交互

1. oNET传输速率远大于eNET

2. oNET能耗约2pJ/bit,是Nvlink3.0的1/4

3. oNET延迟约3.5ns,是Nvlink3.0的1/3

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实现方式

PIC对需要发送或者接受的信号进行处理,实现信号的光-电与电-光转换

发送时,数据由EIC → PIC → 外部

接收时,数据由外部→ PIC → EIC

意义

能效比高,光学传播损耗低

带宽高,延迟低

传输距离不敏感

发展简史

走进光电子

电子芯片
光子技术

1947

贝尔实验室发明晶体管

1955

英国发明了用极细的玻璃制作的光导纤维

1958

杰克·基尔比(Jack Kilby)制成第一块集成电路

1962

罗伯特·N·霍尔研制了第一个激光二极管器件,并在850纳米的近红外波段发射

1965

“摩尔定律”被提出

1969

美国贝尔实验室S.E.Miller博士提出集成光学概念

1970

美国康宁公司生产出世界上第一根耗损率为每公里20分贝的套层光纤

1971

英特尔推出全球第一个微处理器4004

1976

第一条速率为44.7Mbit/s的光纤通信系统在美国亚特兰大的地下管道中诞生

1993

英特尔推出奔腾处理器,制程首次降低至1微米以下

2001

第四代光纤通信系统传输速率达到10Tb/s, 是80年代光纤通信系统的200倍之多

2003

奔腾4E系列推出,采用90纳米工艺

2006

Luxtera推出了集成硅光技术的光收发器,单通道单波长带宽达到10Gbps

2009

英特尔酷睿i系列推出,采用32纳米工艺

2015

Ayar Labs推出了首个基于片间光互联技术的微处理器

2015

制程工艺首次进入14纳米时代

2017

《自然·光子》杂志封面论文发表沈亦晨博士开创性研究成果

2018

7纳米时代开启

2019

曦智科技发布全球首款光子芯片原型板卡

2020

英特尔推出了首个基于co-package optics技术的以太网交换机

2020

台积电成为全球唯一的5纳米代工厂

2021

曦智科技发布第二代光子计算处理器PACE

2021

苹果公司提前预定了台积电4纳米工艺产能

2022

三星3纳米制程工艺实现量产