光計算爆發(fā)前夜：替代GPU？

你相信“光”嗎？1979年，錢學(xué)森在論文中提到，光子技術(shù)的一個肯定要推進(jìn)的方面是光子計算機，從原理上估計，光子計算機的運算能力可以為電子計算機的百倍、千倍以至萬倍。

今年4月12日，曦智科技順利通過港交所上市聆訊，擬于港交所主板上市，引發(fā)了市場對于“光計算”的關(guān)注。

招股書顯示，曦智科技專注于光電混合算力領(lǐng)域，是全球首家實現(xiàn)光電混合算力大規(guī)模部署的公司，也是中國境內(nèi)唯一實現(xiàn)Scale-up光互連解決方案大規(guī)模商業(yè)化落地的獨立供應(yīng)商。如順利登陸資本市場，曦智科技有望成為“全球AI硅光芯片第一股”。

那么，光計算到底是啥？既然有如此強大的算力，它會替代GPU嗎？今天EEWorld就來就這些問題進(jìn)行盤點。

看明白光計算

電計算長期以來遵循摩爾定律，但如今已面臨顯著的物理極限，限制了單芯片性能的提升。隨著單芯片制程的快速進(jìn)步，晶體管縮放正逼近物理極限，摩爾定律顯現(xiàn)放緩跡象，從而制約單芯片算力的增長。

帶寬及功率限制進(jìn)一步制約了單芯片的計算效率，當(dāng)下電子芯片面前有兩堵墻——“功耗墻”和“存儲墻”。為了突破這兩堵墻，目前有三種方法：

• 一是通過先進(jìn)制程繼續(xù)縮小電子邏輯器件，包括光刻、封裝、材料多方面，如極紫外（EUV）光刻機、GAAFET、CFET、二維材料晶體管等；

• 二是通過3D封裝互連和Chiplet實現(xiàn)多芯片異質(zhì)集成；

• 三是直接舍棄傳統(tǒng)路線，走一條完全不同的路，如碳基計算、量子計算（光量子也屬于其中一環(huán)）、光計算，其中，光計算或光電混合計算是當(dāng)前距離產(chǎn)業(yè)最近的路線，光計算作為非馮?諾伊曼結(jié)構(gòu)代表，具有可擴展、低功耗、超高速、寬帶寬、高并行度的天然優(yōu)勢。

正因如此，行業(yè)里流行這樣一句說法：“當(dāng)電子芯片還在2nm懸崖邊徘徊時，光計算芯片已點燃新的火炬。”

光具有波粒二象性，利用波動性可以實現(xiàn)光經(jīng)典計算，利用粒子性可以實現(xiàn)光量子計算。細(xì)分到光計算，有許多分支路線，包括數(shù)字路線和模擬路線。

近年來，多種光計算架構(gòu)已展現(xiàn)出高算力和高能效比的潛力。這些架構(gòu)主要分為兩類：

第一類是基于電子計算機架構(gòu)，發(fā)揮光學(xué)優(yōu)勢，完成光學(xué)晶體管設(shè)計、基于光互連的光電融合計算等數(shù)字光計算任務(wù)。這類數(shù)字光計算體系仍然需要高精度的電子體系來提供控制和輸入輸出，才能充分發(fā)揮其優(yōu)勢。

第二類是從光學(xué)角度出發(fā)，基于光子的多維度信息加載能力完成特定計算任務(wù)，包括矩陣乘法-累加運算、全光邏輯運算、光學(xué)卷積、全光微分等，以模擬光學(xué)計算為主。模擬光計算可以利用光的多維度信息，不僅能實現(xiàn)單一功能的光信息處理，未來還可能發(fā)展出高誤差容忍度的模糊計算架構(gòu)，如光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ONN）等，為AI發(fā)展提供新的計算平臺。

目前商業(yè)化上走得很快，受關(guān)注度比較高的技術(shù)路線是光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ONN），這一技術(shù)也包括許多分支路線（如下圖）。

現(xiàn)階段主要集中在光電融合

模擬光計算發(fā)展迅速，當(dāng)前大多數(shù)探索方向集中在光電融合的計算架構(gòu)上。由于存算體系尚不完善、光學(xué)非線性實現(xiàn)方式有限等原因，光計算目前還無法完全替代電子計算體系。

現(xiàn)階段的最佳方案是優(yōu)化人工智能訓(xùn)練中算力需求最大的集成電路模塊，從而提高大規(guī)模矩陣乘法和卷積的計算速度。在這類任務(wù)中，光計算架構(gòu)避免了串行計算過程中的低速率和高開銷，能夠同時計算所有矩陣元，這種優(yōu)勢隨著矩陣運算規(guī)模的擴大而愈發(fā)明顯。

換句話說，當(dāng)前光計算產(chǎn)品主要以“光電融合”方式實現(xiàn)，芯片內(nèi)部包含光芯片、電芯片及其他外圍器件，光芯片進(jìn)行整數(shù)運算，電芯片負(fù)責(zé)浮點運算。而光電融合計算的優(yōu)化將在很長一段時間內(nèi)成為研究重點。

那么，為什么非得給電芯片加個光芯片，用別的方法不行嗎？目前，突破算力限制還有兩條創(chuàng)新路線：第一條是存算一體路線，本質(zhì)有近存計算和存內(nèi)計算兩類方式，通過將存儲單元放在計算邏輯芯片上，解決存儲與計算之間帶寬和數(shù)據(jù)搬運的問題；第二是通過非GPU架構(gòu)，如美國Sambanova的流式計算架構(gòu)、谷歌TPU專用的ASIC架構(gòu)，通過將芯片上的晶體管重新排列，提高晶體管在計算時的利用率。

但兩種路線都不能解決數(shù)字芯片最根本的晶體管數(shù)量問題。并不是說兩條路線不好，而是未來兩條路線最終一定還會繞回晶體管密度這個問題上。

所以，通過將光子和電子混合在一起，就能解決這根本性的問題。與此同時，近存計算或流式架構(gòu)同樣適用于光電混合計算芯片上，從而實現(xiàn)更大的底層突破。

之所以晶體管很難進(jìn)一步提高單位面積的絕對計算密度，是因為登納德縮放比例失效，如果把晶體管繼續(xù)做小會產(chǎn)生量子極限的隧穿效應(yīng)，而如果以兩倍的主頻運行會同時帶來兩倍的熱量，單位面積芯片如果不能把這些熱量散發(fā)出去就會導(dǎo)致芯片融化。這兩個問題的本質(zhì)都在于銅導(dǎo)線存在電阻，晶體管收放電都會產(chǎn)生熱量，而光則不會產(chǎn)生熱量，因此可以通過提高其主頻或復(fù)用波長數(shù)量進(jìn)一步增加單位面積的絕對算力。

這些企業(yè)，都在做光計算

目前，光計算領(lǐng)域初創(chuàng)企業(yè)都聚焦在ONN，全球范圍內(nèi)，中國和歐美在光計算領(lǐng)域基本處于并跑狀態(tài)。

國內(nèi)方面：

上海曦智科技：成立于2018年，是中國最早進(jìn)行光計算產(chǎn)業(yè)化的公司之一，其技術(shù)源于麻省理工學(xué)院，公司創(chuàng)始人沈亦晨博士是MZI干涉方案代表性論文的第一作者。其圍繞光子矩陣計算（oMAC）、片上光網(wǎng)絡(luò)（oNOC）和片間光網(wǎng)絡(luò)（oNET）三大核心技術(shù)開發(fā)產(chǎn)品，目前最新推出的曦智天樞光子矩陣規(guī)模達(dá)到128x128，采用“OPU光學(xué)處理單元+ASIC光電混合處理器”，是曦智上一代產(chǎn)品等效光算力的4倍，是一個當(dāng)下即可落地，實現(xiàn)單位算力能耗快速提升的實用解決方案。軟件層面，曦智科技同樣構(gòu)建了完整的開發(fā)工具鏈以實現(xiàn)光計算芯片的實用化。智規(guī)劃明年底完成的256x256光子矩陣產(chǎn)品樣片，2027年正式發(fā)布。

蘇州光本位科技：成立于2022年，其技術(shù)源于牛津大學(xué)，采用MRR波分系統(tǒng)與相變材料（PCM）結(jié)合的方案，公司稱之為“PCM+Crossbar方案”，光本位科技則在光芯片的技術(shù)路線中選擇了一條特殊路線——光本位采用硅光+相變材料的異質(zhì)集成以及獨有的Crossbar光子矩陣計算結(jié)構(gòu)，成為首家實現(xiàn)光計算芯片存算一體的商業(yè)化公司。主要產(chǎn)品是光計算板卡，目前正在調(diào)試矩陣規(guī)模為128×128的光計算板卡，預(yù)期峰值算力可超過1000 TOPS，算力密度已超越先進(jìn)工藝的電芯片，預(yù)計在今年推出商業(yè)化光計算板卡產(chǎn)品。

北京芯算科技：成立于2023年，技術(shù)源于麻省理工學(xué)院，采用MRR波分系統(tǒng)與相變材料（PCM）結(jié)合的方案，創(chuàng)始人楊文強畢業(yè)于中國科學(xué)院光所，2023年推出高維光計算芯片和光電混合計算原型板卡，該板卡集成了片上多波長光源芯片、光子矩陣運算芯片、波分復(fù)用模組和光電轉(zhuǎn)換模組等，算力已突破100 TOPS。

北京光子芯力：成立于2024年，技術(shù)源于清華大學(xué)，采用亞波長衍射結(jié)構(gòu)方案。“光子芯力”的產(chǎn)品是一款光電融合計算芯片，團隊開創(chuàng)性地采用全波計算技術(shù)路徑，第一代光芯片已經(jīng)流片完成，目前正與多家客戶合作開發(fā)落地方案。

國外企業(yè)：

Lightmatter：成立于2017年，總部位于美國加利福尼亞州，技術(shù)源于麻省理工學(xué)院。創(chuàng)始人尼古拉斯·哈里斯是MZI干涉方案代表性論文的共同作者。產(chǎn)品線包括光子計算平臺（Envise）、芯片互連產(chǎn)品（Passage）、適配軟件（Idiom。

Luminous Computing：成立于2018年，總部位于美國加利福尼亞州，CTO Mitchell Nahmias博士期間專注于光學(xué)AI芯片研究，技術(shù)源于普林斯頓大學(xué)Paul Prucnal課題組的MRR方案。2023年，公司展示了O波段TRX光子鏈路芯片，該芯片使用45nm工藝，具有16個通道，能在112Gbps下工作，功耗約為4.3pJ/bit（不含激光器功耗）。

Optalysys：成立于2013年，總部位于英國利茲，技術(shù)源于劍橋大學(xué)，2019年推出了商用分立光學(xué)處理系統(tǒng)FT:X2000，該產(chǎn)品基于空間光傳輸可等效于卷積操作的原理，通過集成微透鏡實現(xiàn)器件小型化，可用于處理高分辨圖像和視頻。目前，Optalysys的產(chǎn)品聚焦在光計算安全加密領(lǐng)域。

Lighton：成立于2016年，總部位于法國巴黎。2020年推出了基于離軸光全息技術(shù)的空間光學(xué)計算系統(tǒng)，主要應(yīng)用于機器學(xué)習(xí)、衛(wèi)星圖像分析和自然語言處理等智能計算領(lǐng)域。2021年，成功將“Appliance”光學(xué)處理單元（OPU）集成到法國Jean Zay超級計算機上，能夠在超大規(guī)模上加速隨機算法，并可與標(biāo)準(zhǔn)硅處理器和NVIDIA的A100 GPU技術(shù)協(xié)同工作。

Fathom Computing：成立于2014年，總部位于美國加利福尼亞州，其光子原型計算機在2014年時識別手寫數(shù)字的準(zhǔn)確率約為30%，到2018年已超過90%。然而，該公司近年來并未公開更多進(jìn)展。

并非要替代GPU

在多數(shù)媒體宣傳中，普遍將光計算描繪為比GPU高1000倍以上的一種技術(shù)。光子作為信息載體確實具有獨特的優(yōu)勢，有實現(xiàn)千倍算力提升的潛力，但顯然目前肯定實現(xiàn)不了這樣的效果。當(dāng)前光計算的發(fā)展進(jìn)度還是太早了，可能能有幾倍或者十幾倍的提升，但千倍是絕對不可能的。

所以，在現(xiàn)階段，光計算的發(fā)展目標(biāo)就不是替換GPU了，也不是徹底替代電子系統(tǒng)，而是作為GPU的補充，充當(dāng)加速器。

光計算的核心優(yōu)勢在于能夠在光域內(nèi)高速執(zhí)行矩陣乘法及其他線性代數(shù)運算，這些運算為大

語言模型、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及科學(xué)計算中使用的關(guān)鍵計算。

根據(jù)曦智科技招股書，早期客戶利用產(chǎn)品探索此類應(yīng)用，包括對新型計算架構(gòu)、人工智能算法及系統(tǒng)設(shè)計的研究。已實現(xiàn)試點部署但尚未產(chǎn)生大規(guī)模收入的潛在應(yīng)用場景包括金融科技、新材料開發(fā)及視覺檢測。

曦智坦言，隨著其向PACE 3的商業(yè)化邁進(jìn)，面臨若干行業(yè)內(nèi)普遍存在的挑戰(zhàn)。光計算作為一項新興技術(shù)，目前仍存在軟件棧有限、開發(fā)者對該技術(shù)熟悉度不足的問題，此外，工藝集成及良率管理也是問題。目前，曦智正在開發(fā)軟件開發(fā)工具包和編譯器，同時相當(dāng)一部分將審慎分配用于PACE 3的工程設(shè)計、封裝及可靠性驗證。

當(dāng)然，客戶用不用也是一個大問題，這只能通過更多的實際應(yīng)用案例來說服客戶。

市場正在不斷爆發(fā)

根據(jù)弗若斯特沙利文的資料，中國光計算產(chǎn)品市場規(guī)模預(yù)計將從2025年的6370萬元人民幣增長至2030年的14.616億元人民幣，復(fù)合年增長率達(dá)87.2%。在2031年至2036年的更長時間內(nèi)，中國光計算產(chǎn)品市場預(yù)計將進(jìn)一步從25.463億元人民幣擴張至347.589億元人民幣，復(fù)合年增長率為68.7%。預(yù)計大約在2035年之后，光計算與電計算產(chǎn)品及解決方案有望實現(xiàn)大規(guī)模共存。

截至2025年，光計算芯片在中國AI推理芯片中的市場滲透率不足0.5%，預(yù)計到2040年將達(dá)到20%。而從目前來看，國內(nèi)廠商在光計算領(lǐng)域走得的確更快，這樣來看，光計算市場未來的確有很大發(fā)展空間。

光計算還是個初出茅廬的新人，在這種情況下，如何利用現(xiàn)有能力，突破現(xiàn)有算力生態(tài)的瓶頸，真正把光的“能量”帶到產(chǎn)業(yè)中去，才是企業(yè)當(dāng)下需要考慮的問題。

從曦智科技等初創(chuàng)企業(yè)的動向來看，它們大多也在推出性能數(shù)倍乃至十余倍于現(xiàn)有電子芯片的產(chǎn)品。雖然性能提升幅度或許并不驚人，但這種光計算技術(shù)確實有望真正進(jìn)入行業(yè)應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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[3]信熹資本：https://mp.weixin.qq.com/s/6uUf-AO91dt1Zv6QQrVodw

[4]維科網(wǎng)光通訊：https://mp.weixin.qq.com/s/yPWRxbijBxx8R81I5zr2wQ

[5]集成光學(xué)PIC：https://mp.weixin.qq.com/s/VV6BNY9GdIn4YSeWs6zZng

[6]曦智科技：https://www1.hkexnews.hk/app/sehk/2026/108371/documents/sehk26033003936_c.pdf

[7]中國信通院：https://www.caict.ac.cn/kxyj/qwfb/ztbg/202311/P020231122389415230856.pdf

李俊杰, 劉宇旸, 霍曉莉 . 面向下一代光網(wǎng)絡(luò)的光計算技術(shù)應(yīng)用思考 [J]. 中興通訊技術(shù), 2025, 31(4): 55-63. DOI: 10.12142/

ZTETJ.202504009

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