中国信息通信研究院技术与标准研究所 中国信息通信研究院 泰尔系统实验室 2023年10月 光计算技术与产业发展研究报告 (2023年) 版权声明 本报告版权属于 中国信息通信研究院 ，并受法律保护 。 转载、摘编或利用其它方式使用 本报告文字或者观点的，应 注明“来源：中国信息通信研究院” 。违反上述声明者，本 院 将追究其相关法律责任。 前 言 随着人工智能、大数据和云计算的快速发展，超高速和高能效计 算的需求呈指数级增长。现有冯 •诺依曼架构下的传统电子信号处理 器难以同时实现高算力和低能耗，而光计算可突破电子计算瓶颈，成 为未来探索的重要方向。 光计算， 是采用光作为信息处理的基本载体， 以实现信息处理或数据运算的新型计算体系。 光计算能够发挥光的高 带宽、 低能耗、 抗干扰、 并行等优势， 适合处理人工智能、 信号处理、 组合优化等复杂特定任务，是新型计算 架构的重要发展方向。 本报告的研究基于光计算的广义定义 ，从算力时代 所面临的主要 需求和挑战等出发， 围绕经典 光学与量子光学两大 路线开展光计算技 术与产业方面的发展现状与趋势研究。 当前光计算仍 处于发展的初级 阶段，预计其发展可分三阶段逐步推进，当前需继续推进解决技术、 产业、应用等三方面问题，建议我国从攻克关键技术难题、推动全产 业链发展、开展新应用探索试点三方面寻求突破，推动实现高性能与 低能耗的算力基础设施建设，助力我国数字经济持续高质量发展 。 光计算技术与产业发展处于起步阶段， 对于关键技术、 产业发展 、 应用场景 等方面的研究和探讨还有待进一步深化， 后续中国信息通信 研究院还将进一步推动光计算领域研究并持续发布相关成果。 目 录 一、 光计算发展背景 ................................ ................. 1 (一) 研究背景 ................................ ................... 1 (二) 概念与分类 ................................ ................. 5 (三) 发展历程 ................................ ................... 8 二、 光经典计算技术与产业发展态势 ................................ ... 9 (一) 光电混合架构为主，专用光计算异军突起 ....................... 9 (二) 三大趋势持续演进，体系化发展有望加速 ...................... 13 (三) 产业链成熟度偏低，产业集群地域较集中 ...................... 14 (四) 产学研持续一体化，三阶段推进市场应用 ...................... 17 (五) 技术产业挑战仍存，国内外进度基本持平 ...................... 18 三、 光量子计算技术与产业发展态势 ................................ .. 20 (一) 分层式架构为 主流，两技术路线并行发展 ...................... 20 (二) 遵循三步发展规划，芯片集成是发展方向 ...................... 24 (三) 硬件软件持续发展，相关产业链仍需完善 ...................... 26 (四) 多国积极布局规划，政策及资金支持加大 ...................... 31 (五) 当前我国局部领先，未来发展仍面临挑战 ...................... 33 四、 总结与建议 ................................ .................... 36 (一) 光计算多领域应用前景广阔 ................................ .. 36 (二) 光计算仍处发展的初级阶段 ................................ .. 38 (三) 光计算预计将分三 阶段推进 ................................ .. 39 (四) 技术攻关协同产业应用发展 ................................ .. 39 参考文献 ................................ ........................... 41 图 目 录 图 1 全球算力规模与算力增速 ................................ ..... 1 图 2 光计算与电计算的性能对比 ................................ ... 3 图 3 光计算分类 ................................ ................. 6 图 4 光经典计算与光量子计算的系统结构对比 ....................... 7 图 5 光计算发展历程 ................................ ............. 8 图 6光经典计算技术框架 ................................ ......... 10 图 7 光电混合计算架构 ................................ .......... 11 图 8 光经典计算产业链 ................................ .......... 15 图 9 光经典计算产业视图 ................................ ........ 18 图 10 光量子计算技术 框架 ................................ ....... 21 图 11 逻辑门光量子计算发展历程 ................................ . 22 图 12 相干伊辛机发展历程 ................................ ....... 22 图 13 逻辑门光量子计算原理示意图 ............................... 23 图 14 相干伊辛机实装置示意图 ................................ ... 24 图 15 逻辑门光量子计算发展阶段三步走 ........................... 25 图 16 芯片集成光量子计算示意图 ................................ . 26 图 17 光量子计算产业视图 ................................ ....... 27 图 18 光量子计算软件示意图 ................................ ..... 30 表 目 录 表 1 全球光经典计算企业及产品情况 .............................. 16 表 2 全球光量子计算企业及产品情况 .............................. 27 表 3 全球各国涉及光量子的项目规划不完全统计 .................... 31 光计算技术与产业发展研究报告（ 2023年） 1 一、光计算发展背景 (一)研究背景 全球算力规模不断 扩大，下游应用市场算力需求增长强劲。 据 2023年发布的《中国算力发展指数白皮书》 ， 2022年全球计算设备算 力总规模达到 906 EFlops，增速达到 47%1（图 1） 。伴随万物感知、 万物互联以及万物智能时代的开启，据 IDC预测数据， 2025年全球 物联网设备数将超过 400亿台，产生数据量接近 80 ZB，且超过一半 的数据需要依赖终端或者边缘的计算能力进行处理。 预估未来五年全 球算力规模将以超过 50%的速度增长。 OpenAI数据指出， 2012年之 前， 人工智能的计算速度紧追摩尔定律， 算力需求每两年翻一番； 2012 年以后，翻番时长则直接缩短为 3~4个月，算力需求远超实际算力供 给能力。 来源：中国信息通信研究院《中国算力发展指数白皮书（ 2023年）》 图 1 全球算力规模与算力增速 算力升级面临绿色低碳发展问题。 当前全球数字化转型正在加快， 1 中国信息通信研究院 《中国算力发展指数 白皮书（ 2023年） 》 光计算技术与产业发展研究报告（ 2023年） 2 未来相当长时间里这个大趋势不会改变。 只要有数字化就需要算力支 持，需要构建一个泛在的、低成本的、可靠的算力体系。但是算力基 础设施的耗能较大， 以数据中心为例， 2020年我国数据中心耗电量突 破