★深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)、生成式AI、人工智能、大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算、ASIC、大模型訓(xùn)練、盤古大模型、CPU、GPU、L40S服務(wù)器、華為、英偉達(dá)、A100、H100、A800、H800、穩(wěn)態(tài)微聚束、SSMB、清華 SSMB-EUV 光源、非線性動(dòng)力學(xué)、AI芯片、ChatGPT、Transformer、自監(jiān)督訓(xùn)練、高算力芯片、高粘性 CUDA、Graphcore、Habana、Cerebras、SambaNov、寒武紀(jì)、FPGA、Grace CPU、Hopper GPU、GH200、 SIGGRAPH 、HBM3e、MI300A、MI300X、Infinity Fabric、TPU、AWS、Inferentia、Trainium、Alexa、Meta、MTIA

隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算、生成式AI和大語言模型的快速發(fā)展，芯片技術(shù)和服務(wù)器市場(chǎng)變得越來越重要。大模型需要高性能芯片支持，而芯片技術(shù)的發(fā)展又為大模型應(yīng)用和推廣提供可能。在這篇文章中，我們將探討推進(jìn)芯片快速發(fā)展的技術(shù)（穩(wěn)態(tài)微聚束加速器光源）、華為和英偉達(dá)顯卡的對(duì)比以及賦能生成式AI和LLM大模型負(fù)載L40S服務(wù)器。

在大模型下的芯片技術(shù)領(lǐng)域，GPU、CPU和ASIC等技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用。GPU作為圖形處理器，最初是為了處理圖像和游戲等任務(wù)而設(shè)計(jì)的。然而，隨著人工智能和深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，GPU逐漸成為大模型訓(xùn)練和推理的首選芯片。

華為和英偉達(dá)顯卡在大模型服務(wù)市場(chǎng)中具有重要地位。華為依托其強(qiáng)大的技術(shù)實(shí)力和品牌影響力，在顯卡市場(chǎng)中占據(jù)一席之地。英偉達(dá)則憑借其領(lǐng)先的GPU技術(shù)和廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，成為了大模型服務(wù)市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。在銷售量和市場(chǎng)份額方面，英偉達(dá)略勝一籌，但是華為和其它競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手也在不斷追趕。

GPU L40S采用先進(jìn)的芯片技術(shù)，可以快速、準(zhǔn)確地處理大規(guī)模的數(shù)據(jù)。具有高度的可擴(kuò)展性，根據(jù)需要增加或減少計(jì)算資源。此外，還采用先進(jìn)的算法和模型優(yōu)化技術(shù)，大大提高模型訓(xùn)練的效率和精度。

穩(wěn)態(tài)微聚束加速器光源

在芯片制造領(lǐng)域，光刻技術(shù)一直扮演著至關(guān)重要的角色。然而，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)也存在一些明顯的局限性，這些局限性在新一代芯片制造中變得尤為明顯。傳統(tǒng)的光刻技術(shù)需要使用大型、昂貴的設(shè)備，如荷蘭ASML公司生產(chǎn)的光刻機(jī)。這些設(shè)備的高成本使得芯片制造過程變得昂貴，不利于成本的降低。而且，傳統(tǒng)的光刻技術(shù)在追求更小的制程和更高的性能時(shí)遇到了困境，因?yàn)樗鼈兪艿搅斯庠垂β噬舷薜南拗啤＿@導(dǎo)致了制程的瓶頸，制約了芯片技術(shù)的發(fā)展。

清華大學(xué)的唐教授提出的“穩(wěn)態(tài)微聚束加速器光源”為芯片制造帶來了一種全新的思路。這一方法的核心在于通過高能加速器對(duì)電子進(jìn)行加速，然后讓這些電子穿過交替變化的磁場(chǎng)，從而產(chǎn)生高頻率和短波長(zhǎng)的電磁波，包括可見光和X射線。簡(jiǎn)單來說就是將電子加速到接近光速，從而獲得更短波長(zhǎng)的光，為芯片制造提供了全新的工具。

一、加速器光源簡(jiǎn)介

同步輻射是帶電粒子在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電磁輻射，其特點(diǎn)包括高亮度、寬譜帶、高準(zhǔn)直性和偏振性等。自20世紀(jì)70年代起，人們開始專門建設(shè)電子儲(chǔ)存環(huán)來產(chǎn)生同步輻射。一個(gè)同步輻射光源由電子注入器、電子儲(chǔ)存環(huán)和光束線站組成，追求高亮度和更好相干性，經(jīng)歷四代的發(fā)展。中國大陸的北京同步輻射裝置屬于第一代，合肥光源屬于第二代，上海光源屬于第三代，正在建設(shè)的高能同步輻射光源屬于第四代。同步輻射的亮度定義為單位時(shí)間、單位面積、單位發(fā)散角、0.1%帶寬內(nèi)的光子數(shù)。

同步輻射光源的相干性包括橫向和縱向兩方面。橫向相干性與光源尺寸有關(guān)，縱向相干性與光源譜寬有關(guān)。為獲得更高亮度和相干性，需要提高輻射強(qiáng)度、縮小譜寬、減小電子束的發(fā)散角。同步輻射光源的發(fā)展已經(jīng)降低電子束的橫向發(fā)散角，從而獲得良好的橫向相干性，但縱向相干性仍然較弱，導(dǎo)致束長(zhǎng)遠(yuǎn)超過相干長(zhǎng)度，輻射功率較低。

自由電子激光克服這一缺點(diǎn)，利用電子束在波蕩器中自放大發(fā)射的原理，通過電子束和輻射波在波蕩器中相互作用形成微聚束，產(chǎn)生強(qiáng)相干輻射。這種正反饋過程導(dǎo)致輻射指數(shù)增長(zhǎng)，與同步輻射相比，自由電子激光的峰值亮度提高8-10數(shù)量級(jí)，相干性更好，脈沖長(zhǎng)度更短。其使用自由電子而不是束縛電子，輻射波長(zhǎng)可以靈活調(diào)節(jié)。

自由電子激光的輻射波長(zhǎng)由電子束能量、波蕩器參數(shù)和相對(duì)論因子γ決定，而在X射線波段，自由電子激光是唯一的相干光源。可分為低增益模式和高增益模式，早期主要是低增益模式，輻射在共振腔內(nèi)被多次放大，而當(dāng)前主要發(fā)展的是高增益短波長(zhǎng)自由電子激光，即電子束單次通過波蕩器就完成從發(fā)射到飽和的過程，特別是X射線自由電子激光。

高增益短波長(zhǎng)自由電子激光對(duì)電子束質(zhì)量的要求很高，需要電子束橫向發(fā)散度足夠小、能量散度足夠小、電流足夠大，以保證增益大于損耗。

自由電子激光裝置示意圖

高增益自由電子激光對(duì)電子束質(zhì)量要求非常高，需要高峰值電流、低發(fā)散度和低能量散度。為滿足這些要求，主要依靠直線加速器產(chǎn)生電子束。與儲(chǔ)存環(huán)不同，自由電子激光的重復(fù)頻率較低，為獲取高重復(fù)頻率，正在研發(fā)采用超導(dǎo)射頻直線加速器的自由電子激光。

加速器光源已成為人類探索物質(zhì)世界的最前沿工具之一，基于電子儲(chǔ)存環(huán)的同步輻射光源提供高重復(fù)頻率的輻射，基于直線加速器的自由電子激光提供高峰值亮度的輻射，是兩種主要類型的加速器光源。這兩類大科學(xué)裝置孕育眾多突破性基礎(chǔ)研究成果，在先進(jìn)制造與產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的作用難以估量。

全球有超過50個(gè)同步輻射光源和7個(gè)X射線自由電子激光裝置建成或在建，最先進(jìn)的加速器光源因其光束質(zhì)量、科研支撐作用、建設(shè)投入和技術(shù)復(fù)雜程度，已成為國家綜合實(shí)力和競(jìng)爭(zhēng)力的重要體現(xiàn)。

二、穩(wěn)態(tài)微聚束加速器光源原理

隨著加速器光源的發(fā)展，用戶需求也在不斷增長(zhǎng)，除同步輻射和自由電子激光，人們也期待出現(xiàn)一種同時(shí)實(shí)現(xiàn)高峰值功率和高重復(fù)頻率的光源。2010年，Ratner和Chao首次提出一種新型儲(chǔ)存環(huán)光源——穩(wěn)態(tài)微聚束（SSMB）。

SSMB使用激光而不是射頻腔來調(diào)制儲(chǔ)存環(huán)中的電子束。由于激光與電子束的傳播方向垂直，因此不能有效地交換能量。為縱向聚焦調(diào)制電子束，扭擺磁鐵被采用，實(shí)現(xiàn)激光調(diào)制，類似于射頻腔調(diào)制。

與傳統(tǒng)儲(chǔ)存環(huán)相比，SSMB儲(chǔ)存環(huán)的標(biāo)志是使用激光調(diào)制器代替射頻腔。

SSMB 儲(chǔ)存環(huán) (b) 與傳統(tǒng)儲(chǔ)存環(huán) (a) 對(duì)比

微聚束的原理示意圖

在SSMB儲(chǔ)存環(huán)中，由于激光波長(zhǎng)比微波波長(zhǎng)短了約6個(gè)數(shù)量級(jí)，通過精心設(shè)計(jì)的磁系統(tǒng)，電子束團(tuán)長(zhǎng)度可以達(dá)到亞微米至納米量級(jí)，形成微聚束。同時(shí)，束團(tuán)間隔從微波波長(zhǎng)縮短到激光波長(zhǎng)，使得單位長(zhǎng)度內(nèi)的束團(tuán)數(shù)目提高了6個(gè)數(shù)量級(jí)。與傳統(tǒng)束團(tuán)相比，微聚束的特點(diǎn)是束團(tuán)內(nèi)電子縱向分布長(zhǎng)度比輻射波長(zhǎng)短，不同電子的輻射場(chǎng)保持相干并相干疊加，使得輻射強(qiáng)度與束長(zhǎng)內(nèi)電子數(shù)平方成正比，遠(yuǎn)高于非相干輻射的線性關(guān)系。

(a) 普通束團(tuán)非相干輻射及 (b) 微聚束相干輻射 示意圖

微聚束產(chǎn)生強(qiáng)相干輻射的原因是含有N個(gè)電子的束團(tuán)輻射功率包括與N線性相關(guān)的非相干輻射和與N的平方相關(guān)的相干輻射。相干輻射顯著高于非相干輻射需要束長(zhǎng)小于輻射波長(zhǎng)，因此納米級(jí)束長(zhǎng)的微聚束可產(chǎn)生短波長(zhǎng)相干輻射。

高增益自由電子激光中的微聚束源自束內(nèi)不穩(wěn)定性，難以長(zhǎng)期維持，而SSMB中的微聚束來自激光主動(dòng)調(diào)制，是穩(wěn)定的相干輻射，可在環(huán)中重復(fù)利用。SSMB結(jié)合微聚束的強(qiáng)相干性和儲(chǔ)存環(huán)的高重復(fù)頻率，可提供高平均功率、窄帶寬的相干輻射，具有巨大的潛力。SSMB輻射的多項(xiàng)特性可為加速器光子科學(xué)研究和應(yīng)用帶來新機(jī)遇，如EUV光刻的光源等。

三、SSMB 原理的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

穩(wěn)態(tài)微聚束（SSMB）從概念到應(yīng)用必須進(jìn)行原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。清華大學(xué)等自2017年開始進(jìn)行SSMB原理驗(yàn)證研究，利用德國的MLS準(zhǔn)等時(shí)儲(chǔ)存環(huán)完成了SSMB的原理驗(yàn)證。

SSMB 原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)示意圖

在SSMB原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中，利用德國的MLS準(zhǔn)等時(shí)儲(chǔ)存環(huán)，電子束被激光調(diào)制能量后，形成微米量級(jí)的調(diào)制周期密度調(diào)制，即微聚束。微聚束在波蕩器中發(fā)出強(qiáng)相干輻射，通過檢測(cè)該輻射驗(yàn)證微聚束形成。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，被激光調(diào)制的電子束輻射信號(hào)得到放大，同時(shí)窄帶濾波后的信號(hào)比寬譜輻射更大，證明了微聚束的窄帶相干輻射。此外，還研究了輻射強(qiáng)度與束流強(qiáng)度的關(guān)系。通過這一原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，首次展示了激光調(diào)制可在環(huán)中產(chǎn)生微聚束并發(fā)出相干輻射的效應(yīng)，完成SSMB核心概念的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

SSMB 原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)中，還測(cè)量了輻射功率與電荷量的依賴關(guān)系，結(jié)果顯示了與電荷量平方成正比的特點(diǎn)，這正是相干輻射最重要的特征。此外，輻射呈現(xiàn)窄帶特性。這兩點(diǎn)有力地證明了微聚束的形成。最近，我們還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了微聚束在儲(chǔ)存環(huán)中多圈穩(wěn)定存在，電子束實(shí)現(xiàn)了多圈相干發(fā)射。通過檢測(cè)輻射功率關(guān)系和頻譜特性，驗(yàn)證了微聚束形成并相干發(fā)射。進(jìn)而展示微聚束可在環(huán)中多圈穩(wěn)定，完成SSMB核心概念的多圈相干發(fā)射驗(yàn)證。

SSMB 原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果

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