人工智能中光電技術(shù)的運(yùn)用現(xiàn)狀與趨勢(shì)

1、人工智能中光電技術(shù)的運(yùn)用現(xiàn)狀與趨勢(shì)關(guān)鍵詞：光電技術(shù); 人工智能; 應(yīng)用; 趨勢(shì)預(yù)見;Abstract：Artificial intelligence is the most strategic and disruptive technology today.The development of photoelectric technology and artificial intelligence technology has the characters of cross fusion, miniature integration, high efficiency, low consumpt

2、ion, open source and innovation.The integration, miniaturization, low power consumption, multi-function and intelligent development of photoelectric technology are conducived to the construction of artificial intelligence ecosystem and enable the intelligent world.Keyword：Photoelectric technology; A

3、rtificial intelligence; Application; Trend forecast;1、 概述人工智能是當(dāng)今最具戰(zhàn)略性和顛覆性的技術(shù),其以強(qiáng)大的賦能性驅(qū)動(dòng)著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革,深刻地影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和國際政治格局構(gòu)建1。當(dāng)前,人工智能著重解決機(jī)器會(huì)聽（語音識(shí)別、機(jī)器翻譯等）、會(huì)看（圖像識(shí)別、文字識(shí)別等）、會(huì)說（語音合成、人機(jī)對(duì)話等）、會(huì)思考（人機(jī)對(duì)弈、定理證明等）、會(huì)學(xué)習(xí)（機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)表示等）、會(huì)行動(dòng)（機(jī)器人、無人駕駛等）六會(huì);問題2。光電技術(shù)在解決這六會(huì);的人工智能關(guān)鍵技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛。2 、光電技術(shù)在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用光電技術(shù)在人工智能應(yīng)用實(shí)踐層面主要解

4、決會(huì)看;會(huì)思考;會(huì)行動(dòng);等問題,包括以下方面。2.1、 光子芯片智能芯片是人工智能最核心的技術(shù),相當(dāng)于人工智能的大腦;。人工智能基于對(duì)海量數(shù)據(jù)收集、處理、選擇、交換、整合和分析。在此過程中,機(jī)器效能的消耗隨著數(shù)據(jù)量激增而與日俱增;,傳統(tǒng)計(jì)算方式和硬件（傳統(tǒng)芯片）顯得力不從心;,高速低耗的光子芯片應(yīng)運(yùn)而生。光子芯片依托硅基光子集成技術(shù),讓光提供算力。光子芯片運(yùn)算速度快、低延遲、抗電磁干擾、低能耗,計(jì)算能力為傳統(tǒng)芯片的一千倍,但功耗僅為其百分之一。因而廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)、人臉識(shí)別、安防監(jiān)控、AI金融、AI醫(yī)療、自動(dòng)駕駛、無人機(jī)等所有低能耗應(yīng)用領(lǐng)域。2015年,麻省理工學(xué)院研究者研制出一種可以與傳統(tǒng)的

5、計(jì)算機(jī)結(jié)合進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的新型光學(xué)計(jì)算芯片（3。2017年,普林斯頓大學(xué)研究者研制出第一枚光子神經(jīng)形態(tài)芯片4,其依靠入射光線的明暗實(shí)現(xiàn)運(yùn)算,這個(gè)過程不需電力運(yùn)作,不損耗能源。德國研究人員在毫米級(jí)光子芯片上搭建了全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不存在光電轉(zhuǎn)換5。清華、北大、北交大等高校博士組成的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)第一枚國產(chǎn)光子人工智能芯片6。中科院研發(fā)的云端人工智能芯片理論峰值速度,已達(dá)每秒128萬億次定點(diǎn)運(yùn)算7。2.2、 機(jī)器視覺與計(jì)算機(jī)視覺機(jī)器視覺是應(yīng)用價(jià)值最高的人工智能技術(shù),它使機(jī)器開眼看世界;,實(shí)現(xiàn)從識(shí)人知物到辨識(shí)萬物;。機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼進(jìn)行測(cè)量和判斷,它綜合了模擬、數(shù)字電子、計(jì)算機(jī)、圖像處

6、理、傳感器、機(jī)械工程、光源照明、光學(xué)成像等跨學(xué)科前沿技術(shù)。機(jī)器視覺具有準(zhǔn)確性、客觀性、穩(wěn)定性等特點(diǎn),在安防及交通攝像頭、無人駕駛、金融、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。計(jì)算機(jī)視覺就是利用計(jì)算機(jī)和其輔助設(shè)備模擬人的視覺功能識(shí)別、跟蹤和測(cè)量目標(biāo)并進(jìn)行圖形處理。美國麻省理工學(xué)院研究者將人工智能和光學(xué)技術(shù)結(jié)合研發(fā)的密集對(duì)象網(wǎng)絡(luò)（DON;系統(tǒng),可以使機(jī)器人更好地理解和操縱物體,甚至是它們從未見過的隨機(jī)物體8。2.3、 光電傳感器傳感器是人工智能獲取信息的重要器件,是人工智能技術(shù)的硬件基礎(chǔ)。傳感器技術(shù)是人工智能與萬物互聯(lián)的必備條件,傳感器是人工智能的核心部件,它如同人類的五官,采集和轉(zhuǎn)換外界信息。光電傳感器一般由光源

7、、光學(xué)通路和光電器件組成,其功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。光電傳感器體積小、重量輕、易升級(jí),傳輸沒有測(cè)量誤差,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,常見的如智能停車系統(tǒng)、智能水表、智能交通、智能家居、可穿戴設(shè)備等。當(dāng)前研究的熱點(diǎn)是智能光電傳感器,它集成了人工神經(jīng)網(wǎng)、人工智能、信息處理等技術(shù),較傳統(tǒng)傳感器反應(yīng)速度更快、精度更高、重量更輕、能耗更低,成為人工智能的關(guān)鍵因素9。2.4、 光儲(chǔ)存光儲(chǔ)存是人工智能的重要基石。人工智能應(yīng)用必須依靠海量數(shù)據(jù),爆炸式增長的數(shù)據(jù),對(duì)承載數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施性能及能耗等提出了更高的要求,依靠磁硬盤驅(qū)動(dòng)器的傳統(tǒng)存儲(chǔ)難以滿足之一需求,新一代光存儲(chǔ)技術(shù)由此大顯神通;。光存儲(chǔ)的原理就是利用光子與物

8、質(zhì)的作用,將圖像、語言、文字以及相關(guān)數(shù)據(jù)等各種信息記錄下來,應(yīng)用時(shí)再讀出。光學(xué)存儲(chǔ)芯片不發(fā)熱,硬盤設(shè)備功耗低。當(dāng)前,大數(shù)據(jù)和云存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)支撐人工智能在安防領(lǐng)域應(yīng)用。全息光存儲(chǔ)具有超大存儲(chǔ)容量、超高的存儲(chǔ)密度和越快的存取速度,成為研發(fā)重點(diǎn)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的衍生公司Inphase公司已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得突破。3、 光電技術(shù)在人工智能領(lǐng)域應(yīng)用趨勢(shì)預(yù)見進(jìn)入人工智能時(shí)代,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)也進(jìn)入了爆發(fā)期。光電技術(shù)的智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化趨勢(shì)日益顯現(xiàn),在人工智能領(lǐng)域應(yīng)用呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)。3.1、 交叉引領(lǐng),融合應(yīng)用人工智能領(lǐng)域與光電技術(shù)交叉滲透、融合發(fā)展是基本趨勢(shì)。諸多人工智能需要解決的問題,也正在是光電技

9、術(shù)的發(fā)展需要解決的問題。美國斯坦福大學(xué)研究直接在光學(xué)芯片上訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),讓光學(xué)電路實(shí)現(xiàn)基于電子的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵功能,從而實(shí)現(xiàn)成本更低、速度更快、能耗更低地執(zhí)行任務(wù)10。科學(xué)家正在研究應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)改善傳統(tǒng)的光學(xué)和光電技術(shù)。通過將機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入視覺技術(shù)中形成人工智能視覺技術(shù),顯著提升數(shù)據(jù)處理量和速度。醫(yī)學(xué)成像引入人工智能通過胸部X光檢查診斷肺炎,精度比人類放射科醫(yī)生更好。我國科學(xué)家發(fā)明的基于激光成像技術(shù)和人工智能的監(jiān)控系統(tǒng),可在45公里遠(yuǎn)處實(shí)施目標(biāo)識(shí)別11。3.2、 集成微型,高效低耗諸多技術(shù)集成是人工智能技術(shù)的顯著特點(diǎn),設(shè)備或器件微型化、多功能化、集成化和低能耗是人工智能領(lǐng)域光電

10、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。光芯片集成化和微型化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)突破。IBM研發(fā)整合光路到硅基板上,實(shí)現(xiàn)口袋一樣小的裝置能擁有自動(dòng)駕駛車一樣的運(yùn)算能力;12。中國信科研制的100G硅光收發(fā)芯片,在不到30平方毫米的硅芯片集成近60個(gè)光器件13。光電傳感器的方向?yàn)槎喙δ芑?、終端應(yīng)用集成化。隨著精密加工、微電子、集成電路等技術(shù)的發(fā)展及新材料的應(yīng)用,光電傳感器中的一些器件尺寸已走向微米級(jí)甚至納米級(jí)。半導(dǎo)體蒸鍍技術(shù)、光刻技術(shù)、精密微加工及組裝技術(shù)等日益突破,同一基板整合諸多敏感器件不再是難題?？梢灶A(yù)見,微型化、多功能化、集成化和低能耗、智能化的光電傳感器將逐步取代傳統(tǒng)的傳感器。3.3、 智能驅(qū)動(dòng),開源開放智能化、自動(dòng)化和數(shù)

11、據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和蘇黎世大學(xué)研發(fā)的具有機(jī)器學(xué)習(xí)功能的光聲掃描儀,可以從稀疏數(shù)據(jù);中生成高質(zhì)量圖像。勞倫斯·伯克利國家實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研究者使用機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高同步加速器光束性能的穩(wěn)定性14。開源開放已成人工智能領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前研發(fā)方向是實(shí)現(xiàn)開源深度學(xué)習(xí)平臺(tái)與人工智能芯片結(jié)合,構(gòu)筑芯片+操作系統(tǒng);生態(tài)。光學(xué)芯片、智能視覺等必將順應(yīng)這一趨勢(shì),在構(gòu)建人工智能生態(tài)系統(tǒng)過程中,實(shí)現(xiàn)自身新突破新發(fā)展。3.4、 迭代升級(jí),催變生新人工智能時(shí)代也是技術(shù)大爆發(fā)的時(shí)代,包括人工智能技術(shù)在內(nèi)的諸多技術(shù)持續(xù)迭代升級(jí),不斷催變生新。傳統(tǒng)光學(xué)

12、與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合產(chǎn)生智能光學(xué),在天文軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用15。光速深度學(xué)習(xí)正在成為現(xiàn)實(shí)。加州大學(xué)洛杉磯分校研究使用3D打印生成全光學(xué);人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可以分析大量數(shù)據(jù)并以光速識(shí)別目標(biāo),開辟了光速深度學(xué)習(xí)新境界16。新一代智能光電傳感器將具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能。近年研發(fā)的基于雙目視覺技術(shù)的3D感測(cè)方案,具有低功耗、高靈敏度特點(diǎn),在機(jī)器人和VR等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用17。荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)光子集成研究所開發(fā)的全光開關(guān);,數(shù)據(jù)寫入比現(xiàn)有技術(shù)快成百上千倍,還不需耗費(fèi)能量18。美國麻省理工學(xué)院研發(fā)的密集對(duì)象網(wǎng)絡(luò)(DON);系統(tǒng)可以幫助機(jī)器人在雜亂的環(huán)境中拾取特定物體,理解物體的方

13、向系統(tǒng)19。4 、結(jié)論人工智能的發(fā)展并非一蹴而就,也非某一兩項(xiàng)技術(shù)支撐,需要多項(xiàng)技術(shù)共同發(fā)力。光電技術(shù)在人工智能領(lǐng)域應(yīng)用占據(jù)重要席位,兩者相互促進(jìn)、相互交融,不斷推陳出新,迭代升級(jí)。隨著光電技術(shù)在集成化、微型化、低功耗化、多功能化和智能化等方面不斷取得突破和進(jìn)展,將更好的助力人工智能的未來。參考文獻(xiàn)1佘惠敏.核心關(guān)鍵技術(shù)薄弱,人工智能發(fā)展之路還很長N.經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào),2019-12-10.2 李寧.人工智能技術(shù)在計(jì)算機(jī)中的發(fā)展和應(yīng)用J.科技風(fēng),2018(7).3 Jesse Dunietz.光電計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)照亮了人工智能的未來T(李凌譯),搜狐網(wǎng),2017-07-06.4劉霞.首枚光子神經(jīng)形態(tài)芯片問

14、世N.科技日?qǐng)?bào),2016-11-20.5 張新蕾.光學(xué)在人工智能算法的專用硬件中的作用J.中國激光,2019(10).6 解析光子芯片的優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用Z,電子發(fā)燒友網(wǎng),2019-01-08.7李寧.人工智能技術(shù)在計(jì)算機(jī)中的發(fā)展和應(yīng)用J.科技風(fēng),2018(7).8 whatcan.人工智能相機(jī):可能讓無人駕駛汽車和無人機(jī)技術(shù)獲得新突破Z,搜狐網(wǎng),2018-10-04。9魏延斌.智能傳感器技術(shù)研究J.交通科技與經(jīng)濟(jì),2006(6).10 郭婷.斯坦福證明光學(xué)芯片上訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)Z,電子發(fā)燒友網(wǎng),2018-07-29.11 我國科學(xué)家推出基于激光成像技術(shù)和人工智能的監(jiān)控?cái)z像頭J.光行天下,2019-05-10.12 佚名.光學(xué)芯片成為人工智能新方向Z,中國機(jī)電網(wǎng),2017-08-19.13 李舒.中國電子科技集團(tuán)研制成功多核DSP芯片J.新華網(wǎng),2016-12-27.14 佚名.人工智能提高了光聲成像的質(zhì)量和可用