中國信通院-計算機行業(yè)：光計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告

光計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告版權(quán)聲明本報告版權(quán)屬于中國信息通信研究院，并受法律保護。轉(zhuǎn)載、摘編或利用其它方式使用本報告文字或者觀點的，應將追究其相關(guān)法律責任。算的需求呈指數(shù)級增長。現(xiàn)有馮?諾依曼架構(gòu)下的傳統(tǒng)電子信號處理 5 8 9 9 3 6 7 8 1一、光計算發(fā)展背景全球算力規(guī)模不斷擴大，下游應用市場算力需求增長強勁。據(jù) 2電子計算硬件采用的處理器的邏輯單元和存儲單元是分立的馮.諾依為應對萬物智能時代海量應用創(chuàng)新和重大技術(shù)革新對算力供給的百1李潔,王月.算力基礎(chǔ)設(shè)施的現(xiàn)狀,趨勢和對策建議[J].信息通信技術(shù)與政策,2022(3):5. 3破電子芯片的一系列弊端，相關(guān)研究者們開始考慮從“電”向“光”則基本沒有延遲，具有更快的響應時間；5)光子沒有自相互作用，算將是解決摩爾定律困境以及馮?諾依曼架構(gòu)瓶頸問題，即解決當前1Lightmatter,Hotchips會議報告《SiliconPhotonicsforArtificialIntelligen 4 5(二)概念與分類 6 7光計算按照所處理的數(shù)據(jù)形態(tài)可分為通用的數(shù)字光計算和專用鑒于光經(jīng)典計算與光量子計算在計算原理和產(chǎn)業(yè)發(fā)展等方面存 8 9也由于電子計算機的固有的某些缺陷隨運算速度提高而明顯地暴露光的不同特性進行計算又被分為光經(jīng)典計算和光量子計算兩條路徑二、光經(jīng)典計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(一)光電混合架構(gòu)為主，專用光計算異軍突起 MZI、微環(huán)等光器件，接收部分主要為光電探測器，光放大器可選。 光邏輯門所依賴的非線性材料和結(jié)構(gòu)不可避免地為器件的設(shè)計和制經(jīng)網(wǎng)絡的訓練和物理實施方面還存在較多困難，暫未得到廣泛應用。大多數(shù)關(guān)于脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡的研究工作仍然集中在理論分析和簡單結(jié) 進制調(diào)制格式（OOK，DPSK）逐漸向先進高級調(diào)制格式（m-PSK，(二)三大趨勢持續(xù)演進，體系化發(fā)展有望加速硅光有望成為實現(xiàn)集成光計算系統(tǒng)的主要材料平臺。硅光因其平臺。典型的硅基光計算案例包括2x2MZI陣 (三)產(chǎn)業(yè)鏈成熟度偏低，產(chǎn)業(yè)集群地域較集中 機//片//器//JeanZay 機(四)產(chǎn)學研持續(xù)一體化，三階段推進市場應用領(lǐng)域中存在的特定計算需求，利用光計算系統(tǒng)實現(xiàn)加速和性能優(yōu)化。如微軟推出了用于純模擬域迭代的光電混合計算系統(tǒng)AIM，用于加于初創(chuàng)公司，如孵化于MIT的Lightmatter和孵化于巴黎高師的 (五)技術(shù)產(chǎn)業(yè)挑戰(zhàn)仍存，國內(nèi)外進度基本持平 階段，產(chǎn)品形態(tài)/目標市場尚不明確，未能牽引研發(fā)形成聚焦突破。 三、光量子計算技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢(一)分層式架構(gòu)為主流，兩技術(shù)路線并行發(fā)展 要用于解決特定優(yōu)化問題，是專用光量子平臺，如相干伊辛機 通過構(gòu)建光量子邏輯門并形成光量子線路完成對量子態(tài)的幺正操作。 (二)遵循三步發(fā)展規(guī)劃，芯片集成是發(fā)展方向 標將集中在對含噪聲中規(guī)模集成光量子計算的技術(shù)研究及應用方面。(三)硬件軟件持續(xù)發(fā)展，相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈仍需完善 光量子企業(yè)發(fā)展模式主要分兩類，一類遵循軟、硬件協(xié)同發(fā)展，如//// ///////臺////光量子計算企業(yè)通過與芯片制造商合作或自建芯片試線研發(fā)光量子 光量子處理器可以識別并執(zhí)行的物理指令來控制光量子操作時序等向用戶提供光量子軟件開發(fā)工具包和光量子計算云平臺進而為用戶 (四)多國積極布局規(guī)劃，政策及資金支持加大“光量子集成電路封裝(QPICPAC)項目”“國家量子計算中心(NQCH)”和“國家量子無晶圓廠(NQFF)” 開始實施的英國國家量子技術(shù)計劃建立了量子通信中心和量子計算睞光量子計算發(fā)展。美國政府在2022年向格芯(GlobalFoundries)及2014年提出的量子光子學傳感與安全研發(fā)計劃，重點推進科學研究 網(wǎng)絡安全和量子計算領(lǐng)域初創(chuàng)公司的出現(xiàn)促進了光量(五)當前我國局部領(lǐng)先，未來發(fā)展仍面臨挑戰(zhàn) 我國在光量子器件性能提升以及光量子芯片的研發(fā)方面保持良 控[12]。國外光量子集成芯片研發(fā)團隊較為有代表性的是PsiQuantum 大以及歐洲等地，實力較為突出的當屬加拿大的Xanadu和美國的PsiQuantum。Xanadu已推出多款硬件、軟件以及模擬器產(chǎn)品； ITU-T和國內(nèi)標準組織TC578主要開展術(shù)語定義類標準研究，IEC(一)光計算多領(lǐng)域應用前景廣闊光計算速度的提升有望在一定程度上解決各個領(lǐng)域中對大數(shù)據(jù) 有選擇地評估藥物特性,從而快速篩選大量藥物。光計算對于生物醫(yī)(二)光計算仍處發(fā)展的初級階段 (三)光計算預計將分三階段推進(四)技術(shù)攻關(guān)協(xié)同產(chǎn)業(yè)應用發(fā)展 芯片加工工藝以及三維集成封裝等光經(jīng)典計算與光量子計算共性技 參考文獻[2]PierreAmbs,OpticalComputing:A60-YearAdventure,AdvancesinOpticalTechnologies2010,372652(2010).PhotonicPlatform.ChineseJournalofLasers47,060001(2020).[4]方中勤.全光邏輯門關(guān)鍵技術(shù)研究.北京郵電大學,2018.[6]龍運.基于硅基光子器件的光子[7]曦智科技.大規(guī)模光電集成[8]Madsen,L.S.,Laudenbach,F.,Askacomputationaladvantagewithaprogrammablephotonicprocessor.Nature606,75-81(2022).