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在萊布尼茨超級(jí)計(jì)算中心安裝第一個(gè)光子處理器一年后，Q.ANT 帶著更加雄心勃勃的計(jì)劃卷土重來(lái)。

該公司推出了第二代原生處理單元（NPU：Native Processing Unit），這款設(shè)備的設(shè)計(jì)目的不僅在于加速人工智能工作負(fù)載，更在于重新思考其背后的數(shù)學(xué)和能量模型。第一代NPU證明了光可以作為一種實(shí)用的計(jì)算介質(zhì)，而第二代NPU則展現(xiàn)了光子架構(gòu)一旦擺脫晶體管尺寸限制后，能夠以驚人的速度發(fā)展。

新一代產(chǎn)品最突出的改進(jìn)在于：原生非線性光處理。Q.ANT 的 NPU 2 突破了第一代芯片支持的線性光子運(yùn)算限制，能夠執(zhí)行通常需要深層數(shù)字計(jì)算才能實(shí)現(xiàn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)功能。

這種轉(zhuǎn)變提高了精度，減少了參數(shù)數(shù)量，并降低了訓(xùn)練深度，從而優(yōu)化了當(dāng)今人工智能加速的關(guān)鍵指標(biāo)。該系統(tǒng)集成在一個(gè) 19 英寸服務(wù)器中，配備多個(gè) NPU、x86 主機(jī)和標(biāo)準(zhǔn) PCIe 接口，可直接安裝到高性能計(jì)算 (HPC) 和數(shù)據(jù)中心機(jī)架中，無(wú)需對(duì)現(xiàn)有工作流程進(jìn)行任何改動(dòng)。

第一代 Q.ANT 處理器能夠利用光進(jìn)行高精度線性代數(shù)運(yùn)算，顯著提升推理工作負(fù)載的效率。NPU 2則在此基礎(chǔ)上增加了一個(gè)重新設(shè)計(jì)的非線性核心，該核心配備了一個(gè)模擬光學(xué)單元，能夠以單次光學(xué)運(yùn)算處理類似激活函數(shù)的運(yùn)算。

這項(xiàng)能力是大多數(shù)現(xiàn)代人工智能模型的核心，而直接在光子領(lǐng)域支持這項(xiàng)能力則能顯著擴(kuò)展可加速算法的范圍。Q.ANT 報(bào)告稱，增強(qiáng)的非線性模塊使網(wǎng)絡(luò)能夠以更少的參數(shù)和更低的計(jì)算深度實(shí)現(xiàn)更高的精度，尤其是在圖像學(xué)習(xí)和基于物理的任務(wù)中。

該公司的平臺(tái)仍然以薄膜鈮酸鋰光子芯片為核心，該芯片以低光損耗和快速開關(guān)而著稱，但第二代產(chǎn)品在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，提升了模擬性能。第二代NPU 通過(guò)在光子電路內(nèi)部執(zhí)行非線性運(yùn)算，避免了反復(fù)將運(yùn)算任務(wù)返回給電子元件。這減少了瓶頸，提高了速度，尤其對(duì)于嚴(yán)重依賴非線性行為的人工智能模型而言，例如圖像識(shí)別、運(yùn)動(dòng)規(guī)劃或基于物理定律的模擬。

此次第二代NPU 不再以獨(dú)立PCIe卡的形式推出，而是封裝成一個(gè)完整的19英寸機(jī)架式服務(wù)器。每個(gè)機(jī)箱都包含多個(gè)第二代NPU、一個(gè)集成x86主機(jī)處理器和一個(gè)Linux操作系統(tǒng)。

在短短兩年內(nèi)，Q.ANT 的 NPU 的性能進(jìn)步就趕上了標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字處理器過(guò)去 30 年的性能進(jìn)步

Q.ANT 的 C、C++ 和 Python API 與現(xiàn)有的高性能計(jì)算 (HPC) 和人工智能 (AI) 框架保持兼容，同時(shí)其光子算法庫(kù) (Q.PAL) 提供針對(duì)光學(xué)硬件優(yōu)化的非線性函數(shù)。對(duì)于開發(fā)者而言，關(guān)鍵的轉(zhuǎn)變不在于接口，而在于底層計(jì)算模型：以往需要龐大而復(fù)雜的架構(gòu)才能實(shí)現(xiàn)的算法，現(xiàn)在可以在光子基底上更高效地重新表達(dá)。

如今，人工智能模型正不斷挑戰(zhàn)GPU功耗、散熱基礎(chǔ)設(shè)施和內(nèi)存?zhèn)鬏數(shù)奈锢順O限。NPU 2則以不同的方式應(yīng)對(duì)這些限制：它以極低的能耗執(zhí)行運(yùn)算，幾乎不產(chǎn)生熱量，并大幅減少了通常用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰肯摹?/p>

因此，Q.ANT 聲稱其能耗最多可降低 30 倍，針對(duì)特定 AI 和 HPC 工作負(fù)載的性能最高可提升 50 倍。由于光子運(yùn)算具有極高的帶寬，并且可以同時(shí)處理多個(gè)波長(zhǎng)，因此 NPU 2 可以處理傳統(tǒng)數(shù)字流水線無(wú)法處理的數(shù)據(jù)流。

視覺系統(tǒng)很可能率先受益。在質(zhì)量檢測(cè)、機(jī)器人和物流領(lǐng)域，如今的非線性模型通常需要成排的GPU才能達(dá)到實(shí)時(shí)性能。如果能在光子處理器上運(yùn)行這些模型，并且功耗大幅降低，那么在邊緣部署更智能的視覺系統(tǒng)就成為可能。

這同樣適用于科學(xué)計(jì)算工作負(fù)載。材料研究、氣候模擬、聚變研究或藥物研發(fā)中使用的基于物理的模型，都受益于NPU能夠以光學(xué)方式而非數(shù)字方式運(yùn)行非線性步驟。在2025年超級(jí)計(jì)算大會(huì)上，Q.ANT將展示一個(gè)演示，該演示使用小型非線性網(wǎng)絡(luò)在幾秒鐘內(nèi)即可學(xué)習(xí)圖像，這顯著表明該平臺(tái)正以驚人的速度超越其早期原型。

憑借其第二代NPU，Q.ANT正將光子計(jì)算從一個(gè)充滿前景的概念發(fā)展成為一個(gè)快速演進(jìn)的平臺(tái)。從光加速到全非線性光子處理的全新技術(shù)飛躍，擴(kuò)展了硬件可支持的算法范圍，而即插即用的服務(wù)器設(shè)計(jì)則降低了數(shù)據(jù)中心部署的門檻。如果早期結(jié)果屬實(shí)，第二代NPU 將帶來(lái)顯著的技術(shù)進(jìn)步，其光子架構(gòu)的擴(kuò)展速度將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的CMOS架構(gòu)，這有望為人工智能和高性能計(jì)算系統(tǒng)開辟一條新的發(fā)展道路。

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https://www.allaboutcircuits.com/news/q.ants-new-photonic-processor-pushes-ai-and-hpc-beyond-silicons-limits/

（來(lái)源：編譯自allaboutcircuits）

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