聊聊光子计算

这里说的不是大号透镜那套光学计算（Optical Computing），而是能上芯片、能做产品路线图的光子计算（Photonic Computing）。

1）它到底牛在哪里？

• 带宽恐怖：光的并行度高、天然支持多路复用（颜色=波长），数据大巴一车一车拉。

• 几乎没热：波导里没有电阻电容那套焦耳热，通道级能耗很低（注意，是通道，不是系统）。

• 时延极低：光速加成，尤其适合超低时延互连/推理链路。

翻译成人话：做“搬运”和“加权求和”类的密集操作，光子像开了挂；但要当全能选手，还早。

1. 光↔电（OE/EO）转换

2. 模↔数（ADC/DAC）转换

• 真正烧功耗的往往不是“光算”，而是这些转换环节，系统里能吃掉大半的能耗。

• 产业界的务实选择：先把“光互联”做强做满（NVLink的光版、Intel Optical I/O、Ayar Labs 这类 ），先不做“光计算”核心。

  因为今天把芯片间/板间的电连线换成光纤，账能算得过；把矩阵乘法全丢给光，账常常算不过。

• 光器件要“喂光”才耦合得进去，尺寸很难无脑缩；微环谐振器做到 ~10 μm 左右已经逼近极限，再小耦合就崩。

• 端侧/可穿戴不友好：你不会给手环塞个 5 cm × 5 cm 的芯片。

• 但在数据中心/HPC：大 die 不是原罪。甚至可以玩wafer-scale（整片晶圆上阵），工艺节点也不用卷 7 nm，150 nm 级就能跑。

Possible 路线：光子晶体、超表面、薄膜铌酸锂等新型器件，把“有效尺寸”再往纳米量级推。

• 纯衍射“全光计算”（比如固定光掩模做卷积）能效爆表但难以重构，换任务要换“mask”。

• 做成“通用图灵机”意义上，光+电混合是现实解：可编程、可更新、可上量产配套。

• 你绕不开一圈外围：DAC/ADC、驱动、探测、时钟、温稳、校准……

• 项目管理翻译：BOM 胖、版图大、良率风险高、测试门槛高。

• 学术爽点：傅里叶、卷积、矩阵乘法等能“光学一次性做完”。

• 产品现实：重构难、任务窄，一换任务就要换结构；相比之下，存内计算（电子）在小模型推理上又快又可编程。

• 结论：做特定算法的“光加速器”可以；做通用CPU/GPU的替身，不现实（目前）。

1. 光互联优先（Now）

• 芯片内/芯片间/机柜间的高速低功耗链路，最有ROI。

• KPI 关注：带宽密度（Tbps/mm）、能效（pJ/bit）、BER、插损预算、耦合良率。

“少转换”的光子计算（Next）

• 目标：减少 OE/EO + ADC/DAC 次数，把“算”尽量放在光域里做完、一次性读出。

• 典型器件：MZI（马赫-曾德尔阵列）、微环谐振器（MRR）做矩阵运算。

光子存内计算 / 相变材料（PCM）（Next-Plus）

• 用相变材料当“可调电/光学权重”，做类模拟矩阵乘。

• 风险点：耐久度、器件偏差、写入一致性、温漂。

• 适配场景：推理为主、低精度友好的模型块（如注意力/全连接）。

光学蓄水池（Reservoir）计算（Exploring）

• 很前沿，偏黑箱；适合时序/信号处理。

• 产品不确定性高，先做PoC别一上来排期。

光子 cache/register（延迟环）（Exploring）

• 用延迟环暂存数据，做流水/调度。

• 难点在系统级调度与时钟对齐，工程复杂度爆表。

算存融合（Compute-in-Memory with Photonics）（Moonshot）

• MZI/MRR + 其他存储体融合，潜在收益大，工艺复杂度更大。

需求场景

光互联

光子计算

芯片/板/机柜之间超大带宽（> Tbps）

✅ 立刻上

❌ 不必

超低时延链路

✅ 高性价比

⚠️ 仅特定算子

数据中心/HPC（面积不敏感）

⚠️ 试点特定算子（如矩阵乘）

端侧/可穿戴（面积/成本敏感）

⚠️ 极少数高速接口

❌ 基本不考虑

特定固定算子（卷积/矩阵）且低重构需求

⚠️

✅ 作为加速器

通用可编程计算

❌ 还是交给CPU/GPU/ASIC

7）做产品要盯的 KPI/风控点

• 系统能效：别只看“光路”pJ/OP，要把 OE/EO + ADC/DAC 算进去。

• 带宽密度 & 耦合效率：fibre-to-chip / chip-to-chip 的耦合良率、封装良率。

• 可重构规模：权重更新速度、可编程维度（多少×多少的矩阵）、精度（比特数）。

• 温度与漂移：谐振器热漂补偿成本（功耗+控制复杂度）。

• 良率 & 测试：大面积/wafer-scale 的工艺波动、量产测试时长。

• 软硬协同：编译栈/校准/映射工具是否跟上（没有工具链，硬件等于摆设）。

Phase 0：光互联打底（0–12个月）

• 目标：把板级/机柜级链路先光起来，做实测 pJ/bit闭环。

• 里程碑：可量产的800G/1.6T 模块或Chiplet 光I/O小批验证。

Phase 1：特定算子光加速（并行推进，PoC 6–12个月）

• 选单一矩阵乘场景（如 Transformer FC/Attention 的某段），用MZI/MRR 阵列做演示。

• 做系统级能效对比（含转换），设定“赢面阈值”（比如 >1.5× GPU 的系统能效才考虑集成）。

Phase 2：少转换架构（12–24个月）

• 系统架构把ADC/DAC 从环外挪到环内，或降低位宽/采样率；

• 打通编译/映射/校准工具链，和模型同学一起定精度容错策略。

Phase 3：量产可行性评审（18–36个月）

• 看BOM/良率/可测性是否达标；选DC/HPC 单一场景先小规模商用。

• 我们的目标算子是什么？是矩阵乘还是卷积？算子稀疏/低比特能不能利用？

• 一条数据从“电域进”到“电域出”，经历了几次转换？每次的能耗/时延是多少？

• 温控怎么做？热漂补偿的功耗是否把优势吃掉了？

• 良率与校准策略是什么？大规模阵列如何快速量产测试？

• 上层软件/编译栈是否能把模型自动映射到光域阵列，并做误差感知训练/校准？

• 短期：把“光”用在互联上，立竿见影。

• 中期：把“光”用在特定算子的加速器上，谨慎尝鲜，一切以系统级能效为王。

• 长期：等“少转换”架构与新器件成熟，才可能迎来通用性更强的光子计算平台。

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