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中国“芯”助跑人工智能

人工智能
2019
09/20
00:08
新京报
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来源:新京报记者 李玉坤

从三国的“木牛流马”到现代的自动驾驶,让“物”具有一部分人的智能,是人类一直以来的梦想。

近年来,中国在人工智能各个领域全面发力。以机器人为例,《2019年中国机器人产业发展报告》显示,今年我国机器人市场规模预计达到86.8亿美元,2014-2019年的平均增长率达到20.9%。

人工智能发展离不开计算能力的飞跃,芯片就是计算机的大脑。如今,国内多个团队正在突破各种不同形式的芯片,在人工智能的比拼中差异化生存。

2008年,白冰来到北京理工大学就读光电子专业。

那时,距离围棋“人机大战”还有很多年,自动驾驶汽车未在亦庄路测,人工智能尚在萌芽中。

本科后两年,白冰交换到澳大利亚国立大学物理光学专业,并在澳大利亚读完硕士。2014年,25岁的白冰结束4年留学生涯,回国攻读博士。“我那时候经常去听各种学术会议,结识了各种志同道合的朋友,也认识整个芯片行业上下游的各种企业。”

2017年,白冰开始创业,组建了全球第二个光子人工智能芯片研究团队。他们制作的光子芯片——硅光AI芯片,有望摆脱对国外高制程光刻机的依赖,成为我国在芯片领域换道超车的核心技术。

有了更多更强更好用的芯片,人工智能产业得以蓬勃发展,《2019-2020中国人工智能计算力发展评估报告》提到,围绕京津冀、长三角、大湾区三大经济圈形成的人工智能三大产业集群已初具雏形。

“光子芯片”——让光提供运算能力

我们的世界充满着光。

用光做传输信号,让光转换为能量,大家都能理解,但说到让光提供运算能力,不少人都是一头雾水。

光子芯片,就能向光“要来”运算能力,是白冰和团队致力研发的领域。

目前,业界使用的芯片一般为电子芯片(半导体芯片),即超大规模集成电路,一块芯片上有几百万的晶体管。而光子芯片上有无数个光学开关器,利用不同波长、相位和强度的光线组合进行信息处理。

“对于光来说,传输就是计算。比如光通过一个透镜发生折射,你通过透镜看到另一端的物体变形了。图像经过转化传到你的眼睛的过程中,透镜使得图像发生了变化,这就是一个计算的过程。”白冰说。

白冰和初创团队多有光通信背景,对于使用光进行计算的想法,白冰觉得很自然,“技术已经到了这个程度”。这也是他们团队的优势,因为很多现成的光学元件可以直接拿来用。

光子芯片如何与人工智能搭上边?白冰解释,如果一个芯片跑得非常快、非常省电,一定是芯片的物理结构与软件高度匹配,才能实现高效率。现在的人脸识别、自动驾驶、安防监控、AI金融、AI医疗等功能,都依赖人工智能算法,一款能跟算法匹配的芯片,就是人工智能芯片。

实现人工智能需要大量线性运算,而光子芯片天生适合线性计算——算法高度匹配,计算速度比普通电子芯片高。“光学计算芯片在实验室一直存在,但长期没有比较好的应用场景,无法落地应用,人工智能的发展使得光子芯片有了用武之地。”白冰说。

2017年中,白冰和团队想法成熟,开始着手画图和设计。

“设计用了几个月,2018年初做出了芯片。”白冰说,芯片的设计、加工、封装、测试全部在国内完成,最初花费近百万元,他自掏腰包。

他们制作的硅光AI芯片采用国内130nm微电子工艺,工艺制程容忍度很高,摆脱了对于国外高制程光刻机的依赖,国内很多厂商都能做。“光子芯片可以说是我国在芯片领域换道超车的核心技术。”

虽然无需最新工艺,光子芯片的性能毫不逊色。

“光子芯片能提供电子芯片10倍以上的算力”,白冰介绍。

2018年,全国双创周北京主会场,白冰和团队已经拿出硅光AI芯片样本,吸引了很多人驻足。当年第四届中国“互联网+”大学生创新创业大赛总决赛上,白冰作为负责人的创业项目《光子人工智能芯片》参加比赛并获得银奖。

如今,他们在中关村国防科技园有了自己的办公室,建立了超净实验室,光子人工智能芯片项目也成功签约落户顺义。按照白冰的畅想,未来光子芯片主要还是瞄准人工智能领域的应用与发展。目前,光子人工智能芯片的产品主要集中于云端,之后将推向设备端。

智慧城市的“大脑”

功耗是光子芯片的另一大卖点。无论是性能功耗比还是单位美元提供算力,光子芯片都比电子芯片更有优势。

“电子芯片的功耗比已经到了瓶颈,但是光子芯片的能力还远没有到顶。我们希望更多资源进来,一起优化光子芯片的能力。”白冰介绍,光子人工智能芯片的功耗仅为电子芯片的十分之一,能效比可达10T/W。

中科院上海微系统所所长助理秦曦介绍,集成电路的发展已趋于极限,而通过硅光集成,用光代替原来的电进行传输,成本有可能降低到原来的十分之一,甚至更低。

前不久,国内三大运营商都采购了光子芯片进行功耗测试。在未来的智慧城市建设中,光子芯片被寄予厚望。

“智慧城市需要建设很多‘智慧大脑’作为信息处理中心,然后通过5G将计算能力传出去。光子芯片可以作为‘智慧大脑’的面板,降低能耗。”

白冰介绍,光子芯片还可广泛应用于自动驾驶、智能机器人、工业物联网等领域。

下一步,白冰团队将在硬件基础上提供底层工具,希望国内高校、科研院所以及企业,共同参与,建立完整的光子芯片生态系统。

多所高校正在光子芯片领域攻坚。今年第五期《半导体学报》上,北京大学物理学院陈建军研究员介绍,光子芯片技术的逐渐成熟必将引起光信息技术领域的又一次革命,将在通信、医疗、计算、国防、能源等领域产生颠覆式的革新。

“井喷”的人工智能芯片

光子芯片不是唯一能实现人工智能的芯片。

近两年的全国双创周上,不少企业推出了其他种类丰富的人工智能芯片。

例如,清微智能研发的可重构芯片,可在超低功耗下实现人脸识别。

可重构是清微智能的核心技术。首席技术官欧阳鹏解释,所谓可重构,就是没有把整个电路做“死”。例如,人脸检测和语音识别是两个应用、两个算法,对应的是两个不同的电路,“这两个不同的电路,我们只用一颗芯片,切换一下,就能从一个电路变成另外一个电路。实现这一技术有很多难点,比如如何让电路切换更加高效,用了很长时间才实现相对稳定。”

存算一体芯片领域,也有团队在深耕。

知存科技是国内唯一一家应用存算一体技术的公司。工作人员易金刚解释,储存和运算分开,数据进行交互时就会产生大量的数据吞吐。随着用户对视频和语音等应用的需求越来越大,数据吞吐率成为技术发展的瓶颈,把计算和存储尽可能融合在一起,是一个解决方案。以智能耳机为例,芯片经过训练后,能学习音量增大、音量减小、上一首、下一首、开机、关机等关键词,因为采用神经网络计算模式,匹配度极高。

易金刚表示,目前人工智能有几大主流分支,最重要的就是神经网络计算,通过不断迭代和推理过程来完成人工智能计算,很多大公司在做,但是需要借助云端服务。“我们这个产品把云端放到端点这边来解决,把神经网络学习和计算中最复杂、最耗代价的部分通过存算一体芯片来完成。”

北京灵汐科技生产的自行车,周身缠绕着鳞次栉比的线路,连接着各类传感器,车后座上的芯片被称为类脑芯片。依靠芯片,自行车能跟在人后跑,前面有障碍物,自行车也能从周围绕过。自行车还能进行语音辨认,履行转向、加速等多种操作。

“自行车仅仅是一个载体,核心技术就是类脑芯片。这辆车本身的造价为40万元,而芯片的研制本钱超过1亿元。”北京灵汐科技公司副总经理梅迪说。

上个月,清华大学发布全球首款异构融合类脑芯片,并登上了Nature杂志封面。其实,这款芯片也曾在双创周多次亮相。

我国有望形成人工智能三大产业群

我国芯片产业起源于上世纪50年代,1953年,苏联援建的北京电子管厂开建,一度是亚洲最大的晶体管厂。

最早,我们走的是自主研发道路,尽管面临国际技术封锁,落后并不多,但在随后的世界芯片业快速发展期,差距被迅速拉大。

1977年,全国600多家半导体生产工厂,一年生产的集成电路总量,只等于日本一家大型工厂月产量的十分之一。

痛定思痛之后,我国先后推出“909工程”以及“国产高性能SOC芯片”“龙芯2号增强型处理器芯片设计”等课题。

2014年,总额超1200亿元国家集成电路产业投资基金成立,专为促进集成电路产业的发展而设立。

如今,以光子芯片为代表,“中国芯”正受到更多关注。

2017年底,工信部发布的《中国光电子器件产业技术发展路线图(2018-2022年)》披露,高速率光子芯片国产化率仅3%左右,并提出2022年中低端光子芯片国产化率超过60%,高端光子芯片国产化率突破20%的目标。

在北京,以芯片等为代表的高新技术,正在引领产业转型和升级,一些芯片企业开始在国内甚至国际市场崭露头角。

国内首家碳化硅芯片企业总经理陈彤表示,半导体技术发展了近半个世纪,总体上这几年来各个方向都碰到了瓶颈。“现在用新型的化合物材料替代原本的硅材料,才能为用户提供更高性能的芯片。这是近年全球出现的一个技术升级换代的趋势,这个新趋势就为国内的新企业、新供应商提供了机会,进入这个常被国外大企业垄断封锁的高端行业。”

陈彤认为,芯片行业竞争没有国界限制,只能拼质量、拼服务、拼技术,没有捷径可走。他的企业前前后后花了两个多亿,才能抢占一个桥头堡。“投钱建线的过程就要两三年,投产爬坡又要五六年。”陈彤说。

得益于芯片产业的扎实基础,我国人工智能产业快速发展。

2019中国人工智能计算大会发布的《2019-2020中国人工智能计算力发展评估报告》提到,围绕京津冀、长三角、大湾区三大经济圈形成的人工智能三大产业集群已初具雏形。

各城市正在不同领域发力。

北京市经信局局长王刚此前透露,北京正在制定《北京市机器人产业创新发展行动方案》,或将构建医疗健康机器人、特种机器人、协作机器人、仓储机器人和关键零部件4+1产业发展格局。到2021年,培育三到五家细分领域龙头企业,机器人及相关产业收入超过120亿元。

上海已开始光子芯片布局,2017年将硅光子列入首批市级重大专项,计划到2021年建成全国硅光子芯片研发和中试基地,到2025年量产平台实现芯片批量供货,成为国际知名硅光子的研发、制造基地。

珠三角方面,以广州市南沙区为例,已成立人工智能研究院、推出产业基金,并打造人工智能产业园。《广州南沙人工智能产业发展三年行动计划(2018-2020年)》提出,到2020年,建成国际领先的人工智能产业集聚区,形成一批富有活力和可持续发展的“AI+”新型产业。

人工智能的标准化也在进行中。2018年1月,国家人工智能标准化总体组、专家咨询组成立,推进标准化工作。今年4月,国家人工智能标准化总体组第二次全体会议召开,发布了人工智能开源与标准化研究、人工智能伦理风险分析等研究成果,《国家新一代人工智能标准体系建设指南》也进入审改完善阶段。

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