光子计算:我们熬了72天,终于摸到了不烫手的未来

凌晨三点十七分。

我趴在满是光纤跳线的实验台边,盯着示波器上晃得人眼晕的正弦波,手边的冰美式已经结了层半透明的糖壳——这是我们组啃光子计算原型机的第七十二天。

那台烫得能煎蛋的老伙计,终于要退休了

之前我们组跑那个中等规模的视觉大模型微调,用的是四卡A100的集群。那机器刚开机的头半小时,机房的温度能直接飙到32度,风扇的轰鸣隔着两道门都能震得你太阳穴疼。上次组里的师弟图新鲜,伸手摸了下显卡散热片,当场烫得嗷一声跳起来,手腕上红了个巴掌大的印子,半个星期才消。

我们算过账,这套集群满负载跑的时候,功耗是3.2千瓦,其中接近四成的电,根本没用来算东西——全变成热散到空气里了。没有电子在硅基晶格中冲撞产生的电阻热,这是我们当初一头扎进光子计算赛道最朴素的动机。说白了,就是想做一台跑满负载也不会烫得吓人的计算机。

高校光电实验室光子计算原型机测试场景
高校光电实验室光子计算原型机测试场景

别被“光子”两个字骗了,它现在还没那么神

刚进组的时候,我对光子计算的想象完全来自科幻小说——什么用光代替所有电子,一秒钟就能跑完全宇宙的所有数据,什么零延迟零功耗。真的扎进实验里才知道,全是扯。

光这东西是快,是亮,是能在光纤里以接近光速跑,但它不好“管”啊。你想让一束光完成一次乘法运算,得靠精密的调制器把光的振幅、相位掰成你要的数值,稍微有点温度漂移,整个光信号的相位就偏了。上周我们把调了半个月的原型机接上识别模型,实验室的空调出风口刚好对着芯片吹了二十分钟,识别准确率从97.8%直接掉到69%,当时带我的张哥直接把手里的光纤跳线往台面上一放,说这玩意儿的脾气,比我家那只掉毛的布偶猫还难伺候。

更麻烦的是存储。现在的电存储已经能在指甲盖大的地方塞下几百GB的数据,但光存储的密度现在连电存储的十分之一都不到。你算得再快,结果存在哪儿?总不能每次算完都把光信号转成电信号存下来吧?那来回转换的延迟,能把光子的速度优势吃掉大半。说实话,那段时间我真的在怀疑,我们花了两年搭的这套台子,最后会不会只是个贵得离谱的光效玩具——花了几百万搭的系统,跑个小模型还不如人家一张两千块的消费级显卡稳。

硅基光电子芯片阵列实拍图
硅基光电子芯片阵列实拍图

它第一次跑通的那天,没有任何人欢呼

真正跑通的那个晚上,没有什么戏剧性的情节。

那天是周三,组里的人熬到两点多,都差不多趴下了。我爬起来想去走廊接杯热水,随手把刚改完温漂补偿算法的测试程序点了运行——本来也没抱什么希望,就是想看看这次准确率能稳在多少。

结果屏幕上的推理延迟条跳出来的时候,我手里的杯子差点没拿稳。

1.6毫秒。

同精度下,我们之前用A100跑同样的模型,延迟是122毫秒。功耗表上的数字跳出来:31瓦。

我站在屏幕前面愣了半分钟,才伸手推了推旁边趴在键盘上打盹的张哥。他迷迷糊糊抬眼,盯着屏幕上的数字看了快十秒钟,突然伸过手去摸了摸那块嵌在散热座上的硅光芯片——温的。就跟你摸你自己手背的温度差不多。

没有欢呼。没有拍桌子。甚至没人拿出手机拍照发朋友圈。大家熬了太久,情绪已经钝了,就那么盯着屏幕上跑出来的识别结果,看着快递单上的地址、手机号一个个被准确识别出来,窗外的天慢慢开始泛鱼肚白,楼下卖豆浆的摊子飘上来若有若无的热气。

波分复用带来的天然并行计算能力,说白了就是我们能在同一块硅基芯片上,用不同波长的光同时跑几十路独立的运算,相当于把之前挤在一条车道上的电子,全换成了在不同高架路上并行跑的光,不堵车,不摩擦,自然就快,也自然就凉。

但我们都清楚,这还远远不够。光电转换环节的延迟损耗还摆在那儿,光存储的密度差还摆在那儿,现在的原型机,也就适合跑个图像识别、语音识别这类对并行度要求极高的推理任务,你要是拿它跑个文档排版、算个Excel,那还不如十块钱买的计算器顺手。

光子计算与GPU推理功耗对比测试曲线
光子计算与GPU推理功耗对比测试曲线

上周我们把那个巴掌大的原型机模块,拿到学校西门外的快递站做测试。老板认识我们快三年了,每次我们取快递他都要多给我们塞个免费的橘子。之前每到双十一,他那台用了六年的组装电脑就会卡成PPT,扫个快递面单要等两秒多,队伍排出去半条街,他每次都要急得满头汗。

我们把那个光子模块接上他的扫枪,连风扇都不用装——因为根本不发热。扫枪“嘀”的一声,快递地址直接弹在屏幕上,零延迟。老板当时眼睛都直了,伸手摸了摸那个小模块,凉丝丝的,他说“这玩意儿比我家那台破电脑省心多了,连灰都不用吹”。

我站在快递站门口,看着他手里的扫枪对着堆得像小山一样的快递扫来扫去,阳光透过玻璃门照在那个小小的硅光芯片上,突然觉得之前那些熬到凌晨的夜,那些因为跳线接错浪费的一下午,那些因为温漂掉了准确率的崩溃,好像都有了落点。

现在网上总有人说,光子计算马上就要取代硅基芯片了,要掀起下一次科技革命了。说实话,我根本不信这种话。我们离真正能用的光子计算机,可能还有三五年,甚至更久的路要走。就像三十年前,谁能想到那个只能打十分钟电话的砖头手机,最后会变成我们现在揣在口袋里的、能拍照片能导航能跟人视频的全能工具呢?

那天从快递站回实验室的路上,张哥拎着买的两杯冰美式,跟我说,其实科技哪有什么天翻地覆的时刻啊。所有你后来觉得理所当然的技术,最开始都只是实验室里一群人熬到凌晨,盯着示波器上的曲线,一点点磨出来的。

风一吹,路边的梧桐树叶子晃得沙沙响。

我突然想起之前第一次进实验室的时候,导师跟我们说的话。他说,你们不要总想着做什么能改变世界的东西。你只要做出来的东西,能让楼下快递站的老板少等两秒,能让机房的风扇少转两圈,就够了。

对吧。

作者|大讲堂

排版|大讲堂

审核|小准

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