從三國的“木牛流馬”到現代的自動駕駛，讓“物”具有一部分人的智能，是人類一直以來的夢想。

近年來，中國在人工智能各個領域全面發力。以機器人為例，《2019年中國機器人產業發展報告》顯示，今年我國機器人市場規模預計達到86.8億美元，2014-2019年的平均增長率達到20.9%。

人工智能發展離不開計算能力的飛躍，芯片就是計算機的大腦。如今，國內多個團隊正在突破各種不同形式的芯片，在人工智能的比拼中差異化生存。

【長報道】

2008年，白冰來到北京理工大學就讀光電子專業。

那時，距離圍棋“人機大戰”還有很多年，自動駕駛汽車未在亦莊路測，人工智能尚在萌芽中。

本科后兩年，白冰交換到澳大利亞國立大學物理光學專業，并在澳大利亞讀完碩士。2014年，25歲的白冰結束4年留學生涯，回國攻讀博士。“我那時候經常去聽各種學術會議，結識了各種志同道合的朋友，也認識整個芯片行業上下游的各種企業。”

2017年，白冰開始創業，組建了全球第二個光子人工智能芯片研究團隊。他們制作的光子芯片——硅光AI芯片，有望擺脫對國外高制程光刻機的依賴，成為我國在芯片領域換道超車的核心技術。

這是我國打造核“芯”競爭力的一個縮影。

有了更多更強更好用的芯片，人工智能產業得以蓬勃發展，《2019-2020中國人工智能計算力發展評估報告》提到，圍繞京津冀、長三角、大灣區三大經濟圈形成的人工智能三大產業集群已初具雛形。

白冰和團隊設計制作的硅光AI芯片。攝影/新京報記者 王貴彬

“光子芯片”——讓光提供運算能力

我們的世界充滿著光。

用光做傳輸信號，讓光轉換為能量，大家都能理解，但說到讓光提供運算能力，不少人都是一頭霧水。

光子芯片，就能向光“要來”運算能力，是白冰和團隊致力研發的領域。

目前，業界使用的芯片一般為電子芯片（半導體芯片），即超大規模集成電路，一塊芯片上有幾百萬的晶體管。而光子芯片上有無數個光學開關器，利用不同波長、相位和強度的光線組合進行信息處理。

“對于光來說，傳輸就是計算。比如光通過一個透鏡發生折射，你通過透鏡看到另一端的物體變形了。圖像經過轉化傳到你的眼睛的過程中，透鏡使得圖像發生了變化，這就是一個計算的過程。”白冰說。

白冰和初創團隊多有光通信背景，對于使用光進行計算的想法，白冰覺得很自然，“技術已經到了這個程度”。這也是他們團隊的優勢，因為很多現成的光學元件可以直接拿來用。

光子芯片如何與人工智能搭上邊？白冰解釋，如果一個芯片跑得非常快、非常省電，一定是芯片的物理結構與軟件高度匹配，才能實現高效率。現在的人臉識別、自動駕駛、安防監控、AI金融、AI醫療等功能，都依賴人工智能算法，一款能跟算法匹配的芯片，就是人工智能芯片。

實現人工智能需要大量線性運算，而光子芯片天生適合線性計算——算法高度匹配，計算速度比普通電子芯片高。“光學計算芯片在實驗室一直存在，但長期沒有比較好的應用場景，無法落地應用，人工智能的發展使得光子芯片有了用武之地。”白冰說。

2017年中，白冰和團隊想法成熟，開始著手畫圖和設計。

“設計用了幾個月，2018年初做出了芯片。”白冰說，芯片的設計、加工、封裝、測試全部在國內完成，最初花費近百萬元，他自掏腰包。

他們制作的硅光AI芯片采用國內130nm微電子工藝，工藝制程容忍度很高，擺脫了對于國外高制程光刻機的依賴，國內很多廠商都能做。“光子芯片可以說是我國在芯片領域換道超車的核心技術。”

雖然無需最新工藝，光子芯片的性能毫不遜色。

“光子芯片能提供電子芯片10倍以上的算力”，白冰介紹。

2018年，全國雙創周北京主會場，白冰和團隊已經拿出硅光AI芯片樣本，吸引了很多人駐足。當年第四屆中國“互聯網+”大學生創新創業大賽總決賽上，白冰作為負責人的創業項目《光子人工智能芯片》參加比賽并獲得銀獎。

如今，他們在中關村國防科技園有了自己的辦公室，建立了超凈實驗室，光子人工智能芯片項目也成功簽約落戶順義。按照白冰的暢想，未來光子芯片主要還是瞄準人工智能領域的應用與發展。目前，光子人工智能芯片的產品主要集中于云端，之后將推向設備端。

白冰正在超凈實驗室操作半自動芯片測試平臺。攝影/新京報記者 王貴彬

智慧城市的“大腦”

功耗是光子芯片的另一大賣點。無論是性能功耗比還是單位美元提供算力，光子芯片都比電子芯片更有優勢。

“電子芯片的功耗比已經到了瓶頸，但是光子芯片的能力還遠沒有到頂。我們希望更多資源進來，一起優化光子芯片的能力。”白冰介紹，光子人工智能芯片的功耗僅為電子芯片的十分之一，能效比可達10T/W。

中科院上海微系統所所長助理秦曦介紹，集成電路的發展已趨于極限，而通過硅光集成，用光代替原來的電進行傳輸，成本有可能降低到原來的十分之一，甚至更低。

前不久，國內三大運營商都采購了光子芯片進行功耗測試。在未來的智慧城市建設中，光子芯片被寄予厚望。

“智慧城市需要建設很多‘智慧大腦’作為信息處理中心，然后通過5G將計算能力傳出去。光子芯片可以作為‘智慧大腦’的面板，降低能耗。”

白冰介紹，光子芯片還可廣泛應用于自動駕駛、智能機器人、工業物聯網等領域。

下一步，白冰團隊將在硬件基礎上提供底層工具，希望國內高校、科研院所以及企業，共同參與，建立完整的光子芯片生態系統。

多所高校正在光子芯片領域攻堅。今年第五期《半導體學報》上，北京大學物理學院陳建軍研究員介紹，光子芯片技術的逐漸成熟必將引起光信息技術領域的又一次革命，將在通信、醫療、計算、國防、能源等領域產生顛覆式的革新。

白冰和團隊設計的硅光AI芯片測試系統。攝影/新京報記者 王貴彬

“井噴”的人工智能芯片

光子芯片不是唯一能實現人工智能的芯片。

近兩年的全國雙創周上，不少企業推出了其他種類豐富的人工智能芯片。

例如，清微智能研發的可重構芯片，可在超低功耗下實現人臉識別。

可重構是清微智能的核心技術。首席技術官歐陽鵬解釋，所謂可重構，就是沒有把整個電路做“死”。例如，人臉檢測和語音識別是兩個應用、兩個算法，對應的是兩個不同的電路，“這兩個不同的電路，我們只用一顆芯片，切換一下，就能從一個電路變成另外一個電路。實現這一技術有很多難點，比如如何讓電路切換更加高效，用了很長時間才實現相對穩定。”

存算一體芯片領域，也有團隊在深耕。

知存科技是國內唯一一家應用存算一體技術的公司。工作人員易金剛解釋，儲存和運算分開，數據進行交互時就會產生大量的數據吞吐。隨著用戶對視頻和語音等應用的需求越來越大，數據吞吐率成為技術發展的瓶頸，把計算和存儲盡可能融合在一起，是一個解決方案。以智能耳機為例，芯片經過訓練后，能學習音量增大、音量減小、上一首、下一首、開機、關機等關鍵詞，因為采用神經網絡計算模式，匹配度極高。

易金剛表示，目前人工智能有幾大主流分支，最重要的就是神經網絡計算，通過不斷迭代和推理過程來完成人工智能計算，很多大公司在做，但是需要借助云端服務。“我們這個產品把云端放到端點這邊來解決，把神經網絡學習和計算中最復雜、最耗代價的部分通過存算一體芯片來完成。”

北京靈汐科技生產的自行車，周身纏繞著鱗次櫛比的線路，連接著各類傳感器，車后座上的芯片被稱為類腦芯片。依靠芯片，自行車能跟在人后跑，前面有障礙物，自行車也能從周圍繞過。自行車還能進行語音辨認，履行轉向、加速等多種操作。

“自行車僅僅是一個載體，核心技術就是類腦芯片。這輛車本身的造價為40萬元，而芯片的研制本錢超過1億元。”北京靈汐科技公司副總經理梅迪說。

上個月，清華大學發布全球首款異構融合類腦芯片，并登上了Nature雜志封面。其實，這款芯片也曾在雙創周多次亮相。

實驗人員展示硅光AI芯片的光電混合封裝。攝影/新京報記者 王貴彬

我國有望形成人工智能三大產業群

我國芯片產業起源于上世紀50年代，1953年，蘇聯援建的北京電子管廠開建，一度是亞洲最大的晶體管廠。

最早，我們走的是自主研發道路，盡管面臨國際技術封鎖，落后并不多，但在隨后的世界芯片業快速發展期，差距被迅速拉大。

1977年，全國600多家半導體生產工廠，一年生產的集成電路總量，只等于日本一家大型工廠月產量的十分之一。

痛定思痛之后，我國先后推出“909工程”以及“國產高性能SOC芯片”“龍芯2號增強型處理器芯片設計”等課題。

2014年，總額超1200億元國家集成電路產業投資基金成立，專為促進集成電路產業的發展而設立。

如今，以光子芯片為代表，“中國芯”正受到更多關注。

2017年底，工信部發布的《中國光電子器件產業技術發展路線圖（2018-2022年）》披露，高速率光子芯片國產化率僅3%左右，并提出2022年中低端光子芯片國產化率超過60%，高端光子芯片國產化率突破20%的目標。

在北京，以芯片等為代表的高新技術，正在引領產業轉型和升級，一些芯片企業開始在國內甚至國際市場嶄露頭角。

國內首家碳化硅芯片企業總經理陳彤表示，半導體技術發展了近半個世紀，總體上這幾年來各個方向都碰到了瓶頸。“現在用新型的化合物材料替代原本的硅材料，才能為用戶提供更高性能的芯片。這是近年全球出現的一個技術升級換代的趨勢，這個新趨勢就為國內的新企業、新供應商提供了機會，進入這個常被國外大企業壟斷封鎖的高端行業。”

陳彤認為，芯片行業競爭沒有國界限制，只能拼質量、拼服務、拼技術，沒有捷徑可走。他的企業前前后后花了兩個多億，才能搶占一個橋頭堡。“投錢建線的過程就要兩三年，投產爬坡又要五六年。”陳彤說。

得益于芯片產業的扎實基礎，我國人工智能產業快速發展。

2019中國人工智能計算大會發布的《2019-2020中國人工智能計算力發展評估報告》提到，圍繞京津冀、長三角、大灣區三大經濟圈形成的人工智能三大產業集群已初具雛形。

各城市正在不同領域發力。

北京市經信局局長王剛此前透露，北京正在制定《北京市機器人產業創新發展行動方案》，或將構建醫療健康機器人、特種機器人、協作機器人、倉儲機器人和關鍵零部件4+1產業發展格局。到2021年，培育三到五家細分領域龍頭企業，機器人及相關產業收入超過120億元。

上海已開始光子芯片布局，2017年將硅光子列入首批市級重大專項，計劃到2021年建成全國硅光子芯片研發和中試基地，到2025年量產平臺實現芯片批量供貨，成為國際知名硅光子的研發、制造基地。

珠三角方面，以廣州市南沙區為例，已成立人工智能研究院、推出產業基金，并打造人工智能產業園。《廣州南沙人工智能產業發展三年行動計劃（2018-2020年）》提出，到2020年，建成國際領先的人工智能產業集聚區，形成一批富有活力和可持續發展的“AI+”新型產業。

人工智能的標準化也在進行中。2018年1月，國家人工智能標準化總體組、專家咨詢組成立，推進標準化工作。今年4月，國家人工智能標準化總體組第二次全體會議召開，發布了人工智能開源與標準化研究、人工智能倫理風險分析等研究成果，《國家新一代人工智能標準體系建設指南》也進入審改完善階段。

光子算數團隊創始人白冰。受訪者供圖

【親歷者說】

光子算數團隊創始人白冰：硅光AI芯片可逐步替代進口高端芯片

我國微電子工藝與國外至少有3代差距，直接導致了國產市場占有率低，高端人工智能芯片嚴重依賴進口等受制于人的局面。

2017年，我們幾個博士聚在一起開始研究光子芯片。這個工作涉及多領域深度交叉融合，當時基本聚集了北京的主要高校，學科也是從軟到硬都有覆蓋。

我們從學術研討到走向產業化，一步步摸索出了硅光AI芯片這樣一個新技術。

近些年，人工智能產業高速發展，采用單一電子技術已經無法滿足當前人工智能芯片性能的需要，也限制了人工智能產業的落地和發展。硅光AI芯片融合人工智能、光電子集成和微電子等多領域技術創新，采用國內成熟的硅基集成光電子工藝完成，擺脫對國外先進制程光刻機依賴的同時，將光子技術引入傳統微電子芯片架構，為下一代高性能、低功耗人工智能芯片開辟道路，對加快人工智能產業落地，扭轉我國在高端芯片領域受制于人的局面具有重大意義。

硅光AI芯片的研發、落地將掀起新一輪科技和產業革命，自下而上地改變國內人工智能產業生態環境，以“高端芯片國產可控”為標志推動新一輪科技革命和產業變革。

2015年，《Nature》報道了世界首個光電混合集成CPU，基于光電子集成工藝，在同一塊襯底上集成了7000萬個晶體管和850個光學元件，這是傳統電子架構向光電異構轉變的開端，帶來嶄新的計算形式。2018年底，北京交通大學科研團隊成功演示了基于光子神經網絡的人工智能計算任務，并在國內完成了所有芯片相關的制備和封裝。

從產品替代性角度看，硅光AI芯片可以逐步替代進口高端人工智能芯片。

具體來說，硅光AI芯片在電子技術基礎上引入光子技術，以光學手段彌補、提升高制程工藝下人工智能芯片的性能，進而媲美進口低制程芯片，因此可以極大地動搖進口高端人工智能芯片在我國的壟斷地位。

【同題問答】

新京報：你認為新中國成立70周年最大的變化和進步是什么？

白冰（光子算數團隊創始人）：實現人工智能一直是人類的愿望，各種機器人很早就出現在科幻作品中。

以新中國70周年的跨度來看，人工智能是從無到有，甚至在21世紀才實現跨越式發展，光和人工智能的“相遇”更是最近幾年才有了眉目。硅光芯片研發在我國起步于2004年，之后在設計、制造、封測、軟件工具等方面取得了全產業鏈條的迅速發展，逐漸成為一個未來可期的產業。

近年來，全國和北京都在雙創上給了很多政策，我從博士研究生時開始創業，在雙創周的亮相讓我們獲得了一定的關注。我覺得，新中國成立70周年，除了技術已經演進到了人工智能時代，良好的創新創業的政策也激勵了很多創業者，使我堅信光子芯片可以在人工智能時代大放異彩。