光的风险与机会
前天和团队去清华大学罗姆楼拜访了罗毅院士。罗老师是1978级清华无线电系出身,增益耦合DFB激光器的开创者之一,中国工程院院士。中国的半导体光电子这个学科,很大程度上是他回国以后在清华一手拉起来的。
请教了不少问题。大模型的scaling会不会撞墙?光计算是不是下一个颠覆?纯光交换什么时候替代电交换?中国的光芯片走到了哪一步?等等。周末,把前几天的学习笔记和思考整理如下。
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AI信仰并未坍塌
总体上,现在是一个好的投资时代,因为AI是几十年不遇的大机遇。对当前泡沫的认知不能浅薄,美国大厂几千亿美元地砸算力,也许有他们看到而我们还没看到的东西,那些穿越过周期的投资机构持续加码,不仅是跟风。
对AI黑箱的疑虑,近来的几篇paper中也看出来了新进展。预测下一个词这种训练方式的背后,也存在模型内部自发长出和人脑相似功能架构的情况。这也许说明AI的所谓智能和人脑的智能类似,不太像纯粹的巧合,更像某种约束下的必然解。
AI时代下面需要破题的,一个是看应用端进展的速度是否可以尽快跟上情绪的热度,另一个是看transformer这套架构,在物理世界还能不能继续涌现。
语言世界的涌现已经发生了,但文字答错了代价很小,物理世界就不一样。纯聊天的大模型,没有物理世界的skin in the game,它说端一杯咖啡,只是文字,不会真打翻杯子,不会造成任何实际损失。人形机器人操作失误打翻了热水,会有安全风险,研发和运营方要真金白银承担代价,这才是在物理世界里押上了自己。这一步,还有距离,还有不确定性。
我把这个疑问当面抛给了罗院士:靠堆数据、堆算力的scaling,会不会撞墙?将来把物理世界的时空信息加进来,还有没有规模效应?
他的回答很实在:你说得对,但不论往哪个方向演进,首先会跟不上的是算力。微电子和光电子本身的发展速度,跟不上模型的胃口,能耗越来越厉害,成本越来越厉害,走着走着,这堵墙就过不去了。
但他接着说,墙下面往往会爆发出新的机会。比如把数据本身的时空信息放进来,配上更精巧的算法,模型未必需要无限大。他还补了一句让我印象很深的话:不管大模型将来往哪个方向调整,集成电路芯片和光电芯片,都是更根本的东西。
我的理解是:涌现什么时候再来、以什么方式来,没人知道,这属于信仰和节奏的范畴。但有一件事不依赖信仰,那就是数据必须跑得越来越快,铜跑不动了,必须换光。这是物理定律定的,不归情绪管。
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光计算,眼下还是故事
光电这个行当如今是风口浪尖,一寸光铟(磷化铟)一寸金。大体的全产业链情况是:算力中心里,GPU出来的电信号,先到交换芯片做调度,再到光模块。光模块是个翻译站,里面装着三大类器件:一是电芯片,DSP负责信号整形、Driver负责驱动、TIA负责接收放大;二是光芯片,发射端的激光器、接收端的探测器;三是无源器件,透镜、隔离器、波分复用器等。
光模块把电翻译成光,送进光纤,光纤跑到对端,另一个光模块再翻译回电。更上游还有材料,InP衬底、铌酸锂晶圆;还有设备,MOCVD外延炉、电子束光刻机、测试仪表等等。
我问罗院士,光能用来做计算吗?光计算的故事现在仍然很多。
老先生做了一辈子光,回答却毫不客气:说光计算的,普遍有点忽悠。计算这件事,电是最厉害的。一个CMOS芯片,指甲盖大就是几百亿个晶体管。换成光来做,同样大的地方放不了几个器件,根本完成不了这个计算量。微电子搞不定的事,让光来干,大概率不行。
那有没有一点机会?有,在感知端。摄像头本身就是光学的,在光变电的那个环节提前介入,把一个T的原始数据直接压成一百兆,后面的电算就轻松了。这是光计算可以在特定领域做的事,但离大规模产业化也还早。
所以主业做传统计算、拿光计算当远景的公司,逻辑上还讲得通。只有畅想、没有主业的,就要小心了。
我理解,光在逻辑计算上难敌电子,这个判断是对的。但在模拟计算和特定的矩阵运算上,比如AI推理里大量的乘加运算,光的并行性和低功耗是有物理上的天然优势的。将来如果架构上有创新,光计算未必没有突破口。这是一个值得长期观察的变量,不妨碍眼下的主线判断:投资先看传输。
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纯光交换,说了几十年还是概念
我又问,纯光交换呢,OCS这个概念也火了很多年。罗院士说,这个概念说了几十年,到今天仍然几乎不行,三个死穴。
第一,光没法存。交换的本质是存储转发,路堵了数据得停下来等一等,电很容易,光做不到。
第二,光容易串。两路信号走着走着就互相干扰,要把串扰压下去,速度就慢得不如电了。
第三,损耗。光纤每公里损耗只有0.22个dB,但光一旦离开光纤、进入芯片上的波导,损耗大约是一千倍。波导做得细,还要频繁转弯,侧壁是刻蚀出来的,天然粗糙,光一路走一路掉功率,一个复杂交换结构走下来,信号就没剩多少了。
所以现在全世界数据中心的现实方案是:光只管跑,电管算和调度。光信号进了交换机,先变回电,进缓存、排队、查表,再决定从哪个端口出去。
谷歌倒是真用了光交换,但那是用微镜把整条光路切来切去,做网络拓扑的重构,一切换管好几天,根本不处理单个数据包。这恰恰说明光只能干粗活,细活还得是电。
光的归传输,电的归计算和交换。这个分工在可见的将来不会变。
既然光的主战场在传输,那接下来的问题就是:这条传输的路,离核心算力到底有多近?
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光正在一层一层走进芯片
光在传输这条路上,正在由远及近走三层。
第一层,机柜和机柜之间、交换机和交换机之间,百米量级,对应今天的800G、1.6T可插拔光模块,以及正在起来的CPO共封装光学。这一层已经是产业现实,是今天离钱最近的地方。
第二层,同一台服务器内部、芯片和芯片之间,厘米量级,今天几乎百分之百是铜。把光嵌入GPU封装,也就是OIO,是最难也最性感的一步。这一层一旦打通,对光学行业是纯增量,因为今天那里根本没有光。
第三层,数据中心和数据中心之间,几十到几百公里,对应骨干网和专线,是相对成熟的电信市场。
英伟达的动作是最好的路标:CPO公开推,最靠近GPU的那一层继续守铜,同时悄悄投资了一家做光学频率梳的美国初创公司Xscape。近期的产品、未来的入口、终局的技术,每个位置放一枚棋子。
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卡脖子依然严峻
中国是模块强、芯片弱。当前最紧俏的200G EML激光器,全球只有Lumentum和Coherent两家能稳定量产,订单已经排到2028年,这块的国产化率仍然基本为零。而且速率越高,光芯片在模块成本里占比越高,800G以上的模块,光芯片占到六到七成。
为什么国产高端光芯片起不来?那天罗院士讲了一个我过去不知道的细节。
行业里激光器的良率普遍只有三到四成,大家以为是工厂管理的问题。其实不是。传统的激光器靠一排周期240纳米的光栅挑选波长,而光栅调制的只是折射率,一道齿高,一道槽低,光在里面叠加成驻波后,天然有两种站法,一种波峰落在齿上,一种落在槽里,两种站法看到的增益一模一样,激光器自己无法抉择,两个模式就一起起来,稍有不对称就出错。生产时只能靠芯片两端解理面的随机相位去打破平衡,相位站对了是好管子,站错了就是废品。行业主流的补救办法,是在光栅正中间做一个四分之一波长的相位突变,人为把单个模式拉出来,但这对加工精度要求极高,大功率下还有空间烧孔的问题。所以这是写在物理里的天花板,买再好的设备、做再好的工艺控制也没用,三十年前国际上就清楚这件事。
罗院士回国后带头做出的增益耦合激光器,换了一条路线,原理上就只有一个模式,天花板自然抬上去了,实验室里的良率已经做到八九成。什么是技术门槛?这才是,写在物理原理里的,不是写在PPT里的。
还有一个更具体的卡点。传统路线有一道工序必须用电子束光刻机,设备从日本进口,一台两千多万,一天只能写几片,订货周期两三年。国内有头部公司订了十几台,到现在进不来,产能被一台设备死死卡住。换一条工艺路线,用激光干涉曝光一次成型,虽然技术难度极高,但理论上能绕开这个设备瓶颈。
当然,无论将来技术路线怎么争,光源都绕不开。DFB阵列要激光器,CPO的外置光源要激光器,就连被看作终局方案的光学频率梳——一个微型谐振腔,注入一束激光,靠非线性效应梳出几十上百路波长,2005年诺贝尔物理学奖的技术——也需要一颗极高性能的激光器做泵浦源。谁掌握了高性能光源,谁就站在所有路线的上游。
还有电芯片。光模块里的DSP被博通、Marvell几家垄断,用的还是最先进的制程,国产化率比光芯片还低,只是不在聚光灯下,讲的人少。
还有上游的材料和设备。InP衬底捏在日本和美国厂商手里,MOCVD外延炉被德国和美国垄断,都是绕不开的现实。
这些卡脖子的领域都被掐得生疼,但也恰恰是国产替代和投资人的机会所在。
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二级市场的股价缺乏支撑
7月6号,我在公众号写了一篇科技股必将大幅回调的文章。讲了极大共识带来的固有风险、国内外的AI叙事透支预期、应用端的商业化拖累等几个事。结果留言(不敢翻出来)把我骂惨了,骂什么的都有,AI当下不允许唱衰的情绪,最后演化成了个人攻击。我很少评论二级市场,写那篇只是觉得二级追高的风险已经很明显了,真正想说的是一级也有机会。后来我把文章删了,算了,不受这份气了。几天之后的巨幅回调都看到了,不知道在我这里撒气的小登们还骂不骂了。
言归正传,除了上面说的技术和产品端的卡点,光电领域还有一层在市场结构里的风险也是过高估值的隐忧:整条链的需求,还高度绑定在北美四大云厂的资本开支上面。中国公司的收入大头又在海外,AI一旦回调,模块、芯片、材料一起感冒。
二级市场的股价过高目前是缺乏支撑的,中际旭创和源杰科技今天的市值,是当年的一级市场投资人自己也没有想到的。二级的价格传导到了一级,有的公司连几百毫瓦的激光器都还搞不定,估值就已经喊到了几百亿。在二级市场追高,已经不如在一级市场做早期布局。
一级市场布局也要有策略,因为这个行业其实每一层都仍有路线之争,EML对硅光,可插拔对CPO,DFB阵列对光频梳等等,押错路线就是沉没成本。解法就是前面那句话,不押路线,押绕不开的环节。
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看AI项目,有这三个原则供参考
这几年在AI赛道看了太多项目,我给自己定了三条原则:长期空间、技术门槛、足够便宜。
长期空间。AI是几十年不遇的大方向,这个我不怀疑。谨慎的地方也说过了,物理世界的涌现还有距离和不确定性,但这不影响信不信,只校准仓位。
技术门槛。要一层一层往下问,问到物理原理那一层才算数。甚至可以大胆设问,GPU会不会变成光伏?先进封装是不是人人都会做?良率的天花板是管理问题还是原理问题?波长的成本是线性涨还是几乎不涨?等等。门槛写在物理和机制里的,才是真门槛,写在融资材料里的,不算。
足够便宜。共识极致的地方,往往就是阶段性的顶点,方向正确,不等于任何时候买都对。因为有很大的不确定性,所以便宜才是王道,估值太高就算了,不怕错过。
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最近有幸请教了好几位不同领域院士的意见,都受益匪浅。听完清华大学罗老师的指导,更确信的是,虽然资本市场总是在超买和超卖之间摇摆,但铜的物理极限不会变,光进机房和进封装这件事也不会变,科学和投资都要有第一性原理。
作为投资人,AI有泡沫的这种泛泛而谈并无意义,由AI带来的算力和互联一定仍然存在重大机会。疯狂的二级市场,回调有没有结束没人知道,但只要门槛够高和价格合适,最好的投资可能仍将归属于那些对AI的坚定信仰者们。共勉。