当前，全世界都于年夜范围设置装备摆设AI基础举措措施。各人最轻易比力的是“算力”。但算力毕竟由甚么决议？“第一，你有几多GPU；第二，每一一颗GPU本身的计较能力有多强；第三，这些GPU之间能不克不及高效率协同计较。”中国工程院外籍院士常瑞华8月18日于科技立异院士陈诉厅第20期发演出讲，她认为，不论是于AI计较中央内部，还有是呆板人、汽车及各类智能装备上，光互联及光芯片城市愈来愈主要。

本次勾当由深圳立异成长研究院、深圳中国科学院院士勾当基地、中关村财产转型进级研究院等机构配合主理。

中国工程院外籍院士常瑞华发演出讲。

如下内容按照常瑞华院士演讲记载收拾，经本人审订。

人工智能实在其实不是这几年才呈现的。作为一个研究范畴，它从20世纪50年月最先逐渐成长，厥后履历过频频飞腾及低谷，也履历过所谓的“AI隆冬”。已往有过好频频“狼来了”，各人听见楼梯响，却一直没有真正看到阿谁“人”走下来。

真正转变公家认知的一个标记性事务，是ChatGPT。从ChatGPT最先，平凡人第一次可以或许很是直接地操作一个具备高度通用性的AI体系，亲身感触感染到它毕竟可以或许做甚么。推出后短短几年时间，AI就于全社会得到了很是快速、很是年夜范围的运用。

与此同时，AI的基础举措措施，也就是咱们凡是所说的人工智能智算中央，正于发作式增加。于如许一个时代里，咱们凡是存眷的是GPU、CPU这些电子芯片，可是咱们做的不是传统意义上的电子计较芯片，而是光芯片。以是我今天但愿回覆一个问题：于AI时代，光芯片毕竟饰演甚么脚色？

1、光芯片怎样走进现代信息世界

（一）从铜到光：光纤开启高速通讯时代

假如必然要给现代光纤通讯找一个很是主要的出发点，我认为可以追溯到1966年，华裔科学家高锟（K.C.Kao）结合他的同事乔治 霍克汉姆（G.A.Hockham），发表了奠定性的论文《光频率介质纤维外貌波导》，他们指出：假如可以或许把玻璃中的杂质降低到充足水平，那末光就能够于一根像头发丝同样细的玻璃纤维中，以充足低的损耗流传很长间隔，从而用在通讯。

今天咱们的信息可以经由过程海底光缆超过承平洋，也能够穿越整个年夜陆，可是于阿谁年月，各人理解的“玻璃”就是咱们身旁的玻璃杯、玻璃窗。没有几多人会信赖，玻璃有一天可以或许代替年夜量铜线，成为现代信息通讯最主要的基础载体之一。以是这是一个创始性的孝敬。

从汗青上看，咱们先有电报，后有德律风。到20世纪中期，年夜量通讯依靠同轴电缆。它素质上仍旧是一种铜导体，只是布局颠末尤其设计，可以承载更高频率、更年夜容量的旌旗灯号。厥后又成长出微波通讯。各人可以把它及今天的无线通讯作一个直不雅类比，好比Wi-Fi也事情于微波频段。可是无线局域网及微波链路存于流传间隔、频谱资源等方面的限定。

在是人们最先寻觅新的传输介质。之前述1966年为出发点，现代光纤通讯的年夜门真正打开了。

厥后又呈现WDM（波分复用）、SDM（空分复用）等技能，使咱们可以使用差别波长或者者差别空间通道，同时传输年夜量信息。

（二）光纤与光芯片：配合培养现代光通讯

光纤自己只是一种传输介质，就像铁路的轨道，真正承载信息于内里跑的，是光。现代高速光纤通讯中最主要的光源，是半导体激光器。

激光有几个主要特性：一是标的目的性很是好，发散角很小；二是光谱可以很是窄，通俗讲就是“颜色很纯”；三是具备很好的相关性。这些性子使激光尤其合适高速通讯、周详丈量、工业加工及医疗等运用。

初期激光器有一个配合的问题：体积比力年夜，制造也不像芯片那样可以年夜范围复制。是以，假如但愿激光像电子器件同样走进千家万户、走进每一一台计较机、每个数据中央，就必需把它做成芯片。

传统的硅芯片重要以硅为基础。硅固然是一种很是优异的半导体，但它是间接带隙半导体，自己其实不合适作为高效率发光质料。而砷化镓、磷化铟、氮化镓等化合物半导体，则可以很是有用地发光。好比各人认识的蓝光LED，就年夜量采用氮化镓质料系统。于海内财产界有时辰也会把砷化镓、磷化铟称为第二代半导体，把氮化镓、SiC碳化硅等称为第三代半导体。

半导体激光器的发现是一个很是要害的迁移转变。半导体激光芯片的呈现，相称在给光纤这条“高速铁路”配上了可以范围化制造的“列车”。光纤与半导体激光器联合于一路，才真正培养了今天的信息世界。

赵梓森院士持久于武汉邮电科学研究院事情，是我国光纤通讯事业的主要奠定人之一。20世纪70年月，他就最先鞭策中国本身的光纤研究。1976年先后，我国研制出了本身的石英光纤，厥后又不停降低损耗，慢慢成立起自立的光纤通讯技能系统。以是，中国于光纤通讯范畴走患上也很是早，并且走的是一条对峙自立研发的门路。

（三）从通讯到计较：光芯片支撑高速互联

咱们把时间放到2000年先后，最早的光纤重要是铺于都会之间、国度之间，用来做电信通讯。

可是跟着计较机愈来愈快，铜线于计较机内部及数据中央内部也最先不敷用了。2002年先后，日本电气公司的“地球模仿器”超等计较机内部仍旧重要依靠电子互联。

到了2000年月中后期，年夜型超等计较机已经经最先年夜范围采用有源光缆及光纤互联。好比IBM“走鹃”超等计较机体系中，咱们已经经可以较着看到年夜量光纤互联。于这些短间隔多模光纤链路暗地里，有一个很是主要的激光光源，就是VCSEL（垂直腔面发射激光器芯片）。

这暗地里有一个财产配景。计较速率对于在金融生意业务特别主要，于高频生意业务中，毫秒甚至微秒级的时延差异都有可能对于应很是年夜的经济价值。以是许多开始进的计较及高速互联技能，往往会起首呈现于那些对于时延极为敏感的范畴。厥后google公然了年夜型数据中央的内部照片，各人才更直不雅地看到：一个互联网公司的焦点基础举措措施，实在不是简朴的搜刮引擎，而是后面的计较、存储及光纤收集。

一台计较机，从最基本的角度看，有三件工作尤其主要：计较、输入/输出、内存/存储。今天咱们会商AI智算中央，会商英伟达，素质上仍旧绕不开这三件工作。

传统数据中央内部不是所有间隔都同样。一个机架内里有许多办事器，上面凡是有机架顶部互换机。差别机架之间还有要经由过程更上层的会聚互换机或者者主干互换机继承互联。以是，数据中央里的链路有短有长。

于几十米到一百米的中短间隔内，VCSEL（垂直腔面发射激光器芯片）加多模光纤，一直长短常主要的解决方案。间隔再长，就更多利用单模光纤，共同边发射激光芯片或者者硅光子技能。

这里需比力下几种常见的光源。

1.LED（发光二极管）

以蓝光LED为例，重要利用氮化镓质料。LED的长处是制程成熟、成本低，并且自然合适做年夜面积二维阵列。但LED不是激光，它的光束发散比力年夜，光谱也比力宽，是以要把它高效率地耦合进一根很细的光纤其实不轻易。它的高速直接调制能力与开始进的高速激光器比拟也存于较着差距。

2.Edge-Emitting Laser（边发射激光芯片）

传统边发射激光芯片的光，是从芯片侧面出来的。颠末几十年成长，这种工艺已经经很是成熟，并且它于远间隔、高速通讯里仍旧极为主要。可是从器件布局上，它自然不如面发射器件合适做年夜型二维阵列。

3.VCSEL（垂直腔面发射激光器芯片）

那末，有无一种激光器，既具备激光的高速、高效率、轻易耦合的长处，又可以或许像LED同样从晶圆外貌出光，便在晶圆级制造、测试，而且可以很轻易做成二维阵列？

这就是垂直腔面发射激光器芯片，它是从晶圆外貌垂直出光的。经由过程非凡的外延布局及光学谐振腔，它可以或许孕育发生窄光谱的激光输出，还有可直接调制（通俗讲就是让光的强弱根据数据高速变化，把电旌旗灯号转换成光旌旗灯号。）。调制越快，单元时间内可以或许传输的信息就越多。而高速激光器可以或许做到的调制速率，是平凡LED很难到达的。

VCSEL还有有几个主要上风：晶圆级制造；晶圆级测试；及多模光纤的耦合效率比力高；可以做到很低的体系功耗；自然合适形成二维阵列。

传统边发射激光器可以或许集成几个通道已经经颇有意义，可是VCSEL自然就是外貌出光，咱们可以很轻易地于二维平面上安插几十个、几百个甚至更多的发光点。是以，我一直认为，于AI时代，VCSEL会呈现新的时机。

2、AI智算中央里的光互联

（一）互联正于成为算力的一部门

此刻全世界都于年夜范围设置装备摆设AI基础举措措施。各人最轻易比力的是“算力”。但算力毕竟由甚么决议？

第一，你有几多GPU，以是媒体常常讲“万卡集群”“十万卡集群”；第二，每一一颗GPU本身的计较能力有多强；第三，这些GPU之间能不克不及高效率协同计较，真实的年夜模子练习，需要成百上千颗，甚至上万颗GPU协同事情。

以是互联自己，就是计较体系的一部门。

以英伟达的NVL72机架级体系为例。这个“72”指的是72颗Blackwell GPU，同时配有36颗Grace CPU。整个体系经由过程英伟达高速GPU互联技能及NVSwitch（NVLink互换芯片）来完成高带宽GPU互联，此中一套NVL72机架里利用18颗NVSwitch。下一步，要把几10、几百以致上千颗加快器构成更年夜的超节点，就愈来愈需要光。

华为超节点也申明了这一趋向，海内也走患上很是快。好比华为此前推出的昇腾384超节点，已经经将数百颗AI加快器构成一个同一的计较体系，此中年夜范围利用高速光互联。到2026年7月，华为又公然展示了昇腾950超节点的1024卡集群。

这里我想夸大的是38四、1024这些数字暗地里的趋向：一个计较节点里协同事情的AI处置惩罚器数目正于迅速增长。

假定一颗GPU可以当作一个“年夜脑”，那末10个年夜脑协同、1000个年夜脑协同、1万个年夜脑协同，整个体系能力固然不是一个观点。以是这个数字还有会继承增长。而处置惩罚器数目越多，对于互联的要求就越高。是以，我认为AI算力的下一场竞争，很年夜水平上也是互联能力的竞争。

（二）AI鞭策光互联架构重构

是否是把所有铜线换成光纤就解决问题了？没这么简朴。

跟着GPU数目增长，一套AI体系需要的光链路数目多是传统数据中央的十倍甚至更多。与此同时，每一个通道的速度也愈来愈高。从53 Gbps，到106 Gbps，再到212 Gbps，此刻整个财产正于向更高速度演进。纵然光自己合适高速传输，假如咱们彻底沿用传统可插拔光模块的系统，体系的功耗及成本也会变患上很是年夜。

英伟达曾经经用一个年夜型AI工场示意场景申明这个问题：于不异办事器范围下，AI体系对于高速光互联的数目及功耗需求，可以比传统云计较数据中央超出跨越一个数目级。这个数字不是说所有AI数据中央都固定耗损这么多电，而是申明一个趋向：根据已往的措施简朴堆光模块，将来也可能蒙受不起。以是咱们必需从头设计整个光互联架构。

今天AI计较中央里经常会听到两个词。Scale-up（纵向扩大，也可理解为节点内高带宽扩大）及Scale-out（横向扩大，也可理解为节点间扩大）。Scale-up更夸大把年夜量GPU经由过程极高带宽、极低时延的收集慎密地构造于一路，让它们只管即便像“一台呆板”同样协同事情；Scale-out则是于更年夜的规模内把差别节点、差别计较域继承毗连起来。

传统数据中央更多存眷Scale-out。可是AI时代，Scale-up的主要性一会儿上升了。越往Scale-up走，光就越需要向芯片接近。

传统光互联重要利用可插拔光模块。它的长处很是较着：成熟、靠得住、轻易维护。一个模块坏了，可以拔下来换失。但问题于在，它凡是位在PCB（印制电路板）的边沿，而互换ASIC（专用集成电路）或者者GPU间隔它可能还有有十几厘米甚至几十厘米。低速时代，这不是问题。于超高速时代，这一段PCB上的高速电互联自己就会孕育发生很年夜的损耗。为了赔偿这些损耗，需要DSP（数字旌旗灯号处置惩罚器）、旌旗灯号重按时器等电子芯片。这些芯片又增长功耗、成本及热量。

以是今天呈现了新的架构：NPO（近封装光学）及CPO（共封装光学）。目的是只管即便缩短高速电旌旗灯号要走的间隔，让数据及早酿成光。

一个光引擎内里凡是会包罗激光器、光电探测器、激光驱动器、跨阻放年夜器以和其他须要的光电器件。间隔越近，电损耗越小，咱们就有时机削减DSP等高功耗器件的利用，从而降低整个体系的功耗及成本。

固然，CPO也不是没有问题。它对于封装、散热、良率、维修性要求很是高。一旦光学部门呈现问题，而它又及一个很是昂贵的ASIC封于一路，维护及替代的价钱就会比力年夜。

以是NPO及CPO各有合适的场景。我认为这两类技能将来城市很是主要。

（三）下一代光互联的技能线路

有了新的架构，就必然会呈现新的技能线路。

第一条是硅光子。硅光很是主要。它最年夜的上风，是可以使用成熟的硅工艺做波导、调制器、光电探测器以和繁杂的光路集成。可是硅自己不是一种高效率的发光质料，以是凡是仍需要外置激光器或者者与Ⅲ-V族化合物半导体光源举行异质集成。英伟达、博通等公司此刻都于鼎力大举成长硅光CPO。

第二条是微发光二极管显示器（Micro LED）。LED财产于中国已经很是成熟。LED自然合适做二维年夜阵列，那末能不克不及用几百个甚至更多Micro LED通道，同时完成AI芯片之间的高速通讯？它的上风是阵列化轻易。可是单通道高速调制能力整体上仍较着弱在当前开始进的高速激光方案，是以往往需要更多通道去换取总带宽。

别的，蓝光Micro LED凡是事情于400—450 nm四周，与此刻数据中央遍及利用的尺度多模光纤系统其实不彻底匹配。LED发散角比力年夜，怎样经由过程微透镜或者者其他光学布局高效率耦合，也是一个挑战。高电流密度高速调制环境下的持久靠得住性，也需要针对于通讯运用从头验证。

第三条是VCSEL（垂直腔面发射激光器芯片）。VCSEL的特色是功耗低、成本具备上风，财产链相对于成熟，并且可以继承使用现有多模光纤及毗连器生态。VCSEL已经经于数据通讯里运用了许多年，靠得住性基础比力扎实。VCSEL还有有别的一个很是主要的上风：它自然可以做二维阵列。

有一类线路寻求的是快而窄，每个通道都尤其快，但阵列通道数相对于有限。硅光、高速EML（电接收调制激光器）等技能可以归入这一思绪。别的一类可以归纳综合为慢而宽，好比Micro LED，单通道不需要尤其快，但一次做几百、几千个通道，经由过程宽阵列得到总带宽。

那末，VCSEL有无可能同时做到快而宽？这是咱们尤其感兴致的问题。

VCSEL的单通道已经经可以做到很是高的速度，同时它又自然是二维阵列布局。就是说，咱们纷歧定把每个通道推到极度速率，也能够经由过程“高速单通道+年夜范围二维阵列”配合晋升总带宽。这就是咱们此刻于摸索的标的目的。

3、VCSEL线路的技能立异与运用

（一）VCSEL与超外貌联合：把光学元件做进芯片

我及我的团队于做的一个焦点技能叫超外貌光学。所谓超外貌，可以把它想象成：于一个很是薄的平面上，制造年夜量亚波长纳米布局，使用这些布局对于光的振幅、相位、偏振等性子举行节制。传统透镜依赖玻璃的曲面来转变光。超外貌可以把许多传统三维光学器件“压平”。

咱们初期做过HCG（高对于比度光栅），厥后这个标的目的逐渐成长为HCM（高对于比度超布局）及超外貌。

咱们曾经经用一层很薄的HCG去替换传统VCSEL里由许多层质料构成的DBR（漫衍式布拉格反射镜）。厥后又进一步做反射镜、准直器、空芯波导、衍射光学元件、谐振腔以和耦合器等。

VCSEL+超外貌，最主要的是两种工具均可以用微纳加工工艺做，咱们就有时机真正把光学元件直接集成到激光芯片上。

（二）违发射VCSEL：让光芯片走向快而宽

假如要做真正高密度的二维VCSEL阵列，就会碰到一个很是实际的问题：电线怎么接？

传统顶发射VCSEL是从正面出光，电极也于正面。假如阵列里只有几个点，打线没有问题。可是假如你有几十个、几百个VCSEL，特别是中间那些器件，所有高速电极如何从二维阵列中引出来？这个问题会愈来愈坚苦。

以是一个很是天然的思绪就是倒装。咱们把电极地点的一壁倒装到载板上，让光从芯片反面出来，也就是违发射VCSEL。如许整个反面就能够开释出来做光学集成。咱们又把适才讲的超外貌金属透镜直接集成于VCSEL反面。

如许有几个利益：第一，电互联更合适高密度二维阵列；第二，倒装芯片布局有益在热治理；第三，反面可以集成超外貌透镜，直接对于光束做准直及整形；第四，将来与光纤阵列耦应时，有时机免却年夜量自力微透镜的装置及瞄准。

VCSEL及超外貌真正做于一颗芯片上，咱们已经经做过16通道的倒装违发射VCSEL阵列。咱们也做过响应的光发射组件，可以看到多个通道同时形成清楚的眼图。

所谓“眼睛打开”，暗示差别电平之间仍旧具备充足的旌旗灯号裕量。固然工程上终极还有要联合误码率、前向纠错等指标判定链路是否达标，而不单单是肉眼看眼图。

咱们还有做了高温试验。倒装布局由于热路径更好，有时机改善VCSEL的散热，器件于125℃甚至更高温度下仍可以或许事情的意义，其实不是说数据中央必然会事情于这么高的情况温度，而是申明器件具有很强的温度鲁棒性。

125℃也是汽车电子器件高温靠得住性测试中常常呈现的一个主要等级。数据中央现实利用时，情况及模块事情温度一般会比这个低许多。是以，假如一颗高速VCSEL于高温前提下仍能连结机能，就给封装及体系热设计留下了更年夜的裕量。

公然研究中，咱们已经经展示了850 nm VCSEL的200 Gbps级传输能力；同时，于940纳米倒装违发射VCSEL上，咱们已经经实现了与超外貌透镜的单片集成，并完成跨越100 Gbps级的多模光纤传输试验。咱们还有于继承推进200 Gbps甚至更高速度的违发射器件。今朝咱们部门试验还有受测试仪器能力限定，以是咱们也很是但愿与拥有更高速测试平台的偕行互助。

从2022年先后最先，咱们沿着高速VCSEL线路不停向上走：25 Gbps、53 Gbps、106 Gbps，再向200 Gbps推进。此刻累计高速光通讯VCSEL出货跨越600万颗。同时咱们也正于及财产互助伙伴一路开发NPO（近封装光学）、CPO（共封装光学）所需要的VCSEL光引擎。

趋向很是清晰：AI算力继承增加，就必需提高互联带宽；提高互联带宽，就要求光愈来愈接近计较芯片，就会要求光源愈来愈小、功耗愈来愈低、阵列密度愈来愈高，同时还有必需可以或许范围化制造。这恰是VCSEL尤其有价值之处。

（三）从互联到感知：VCSEL拓展AI运用界限

咱们的焦点技能，一边毗连3D感知，另外一边毗连高速光互联。

3D视觉此刻办事呆板人及工业主动化；高速VCSEL则办事数据中央及AI智算中央；将来还有有3D飞行时间模组、NPO/CPO光引擎等新的产物形态。

跟着物理AI进一步成长，呆板不仅要“会想”，还有要“瞥见”及理解真实世界。以是我信赖，不论是于AI计较中央内部，还有是呆板人、汽车及各类智能装备上，光城市愈来愈主要。