清华大学自动化系研发出一种具有超高速光电模拟功能的芯片

在近期，清华大学自动化系戴琼海院士、吴嘉敏助理教授与电子工程系方璐副教授、乔飞副研究员共同研发出一种具有超高速光电模拟功能的芯片。该芯片的算力达到了当前高性能商用芯片的3000余倍。相关研究成果已在《自然》杂志以“高速视觉任务中的纯模拟光电芯片”为题发表。如果将芯片中信息流计算的时间与交通工具的运行时间进行类比，那么这枚芯片的出现可以将京广高铁8小时的运行时间缩短至8秒钟。

这种新型计算架构打破了摩尔定律的限制。自1965年英特尔创始人戈登·摩尔提出影响芯片行业半个多世纪的“摩尔定律”以来，半导体领域一直遵循这一定律发展。然而，随着晶体管尺寸接近物理极限，摩尔定律在过去十年已经放缓甚至面临失效。如何构建新一代计算架构，建立人工智能时代的芯片新秩序，已成为国际社会关注的前沿热点。

光计算是一种利用光传播中携带的信息进行计算的方法，其速度被认为是人类已知宇宙中最快的之一。然而，将光用于计算并非易事。在过去的几年里，海内外知名团队提出了多种设计，但要替代现有电子器件实现系统级应用，仍面临许多国际难题：一是如何在一枚芯片上集成大规模的计算单元，并约束误差累计程度；二是如何实现高速高效的片上非线性；三是为兼容目前以电子信号为主体的信息社会，如何提供光计算与电子信号计算的高效接口。

清华大学攻关团队在这枚小小的芯片中创造性地提出了光电深度融合的计算框架。他们结合了基于电磁波空间传播的光计算和基于基尔霍夫定律的纯模拟电子计算，突破了传统芯片架构中数据转换速度、精度与功耗相互制约的物理瓶颈。在一枚芯片上实现了大规模计算单元集成、高效非线性和高速光电接口等三个国际难题的突破。实测结果表明，光电融合芯片的系统级算力较现有的高性能芯片架构提升了数千倍。

此外，该芯片还具有其他诸多优势。在研发团队演示的智能视觉任务和交通场景计算中，光电融合芯片的系统级能效实测达到了74.8 Peta-OPS/W，是现有高性能芯片的400万余倍。换句话说，原本供现有芯片工作一小时的电量，可供它工作500多年。由于超低功耗下运行的光电融合芯片有助于大幅改善芯片发热问题，为芯片的未来设计带来全方位突破。值得注意的是，该芯片光学部分的加工最小线宽仅采用百纳米级，而电路部分仅采用180nm CMOS工艺，已取得比7纳米制程的高性能芯片多个数量级的性能提升。与此同时，其所使用的材料简单易得，造价仅为后者的几十分之一。

在科幻电影《流浪地球》中，人工智能系统Moss仅几秒钟便可遍历所有拯救地球的方案。在清华大学团队提出的超高性能光电芯片下，“未来计算机”的诞生似乎已不再遥远。光电融合的新型架构不仅开辟出这项未来技术通往日常生活的一条新路径，还对量子计算、存内计算等其他未来高效能技术与当前电子信息系统的融合深有启发。据论文通讯作者之一戴琼海院士介绍：“开发出人工智能时代的全新计算架构是一座高峰，而将新架构真正落地到现实生活，解决国计民生的重大需求，是更重要的攻关，也是我们的责任。”《自然》期刊特邀发表的该研究专题评述也指出：“或许这枚芯片的出现会让新一代计算架构比预想中早得多地进入日常生活。”