世界首顆超高并行光計(jì)算集成芯片「流星一號(hào)」

近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部謝鵬研究員團(tuán)隊(duì)在解決「光芯片上高密度信息并行處理」難題上取得突破，研制出超高并行光計(jì)算集成芯片「流星一號(hào)」，實(shí)現(xiàn)了并行度>100 的光計(jì)算原型驗(yàn)證系統(tǒng)。相關(guān)研究成果以《具備 100 波長復(fù)用能力的并行光計(jì)算》（Parallel Optical Computing Capable of 100-Wavelength Multiplexing）為題，以封面論文形式發(fā)表于《光：快訊》。

超高并行光計(jì)算集成芯片-「流星一號(hào)」

光計(jì)算集成芯片系統(tǒng)

光計(jì)算作為非馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)代表，具有可擴(kuò)展、低功耗、超高速、寬帶寬、高并行度的天然優(yōu)勢(shì)，是后摩爾時(shí)代破解高維張量運(yùn)算、復(fù)雜圖像處理等大規(guī)模數(shù)據(jù)快速計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，為人工智能、科學(xué)計(jì)算、多模態(tài)融合感知、超大規(guī)模數(shù)據(jù)交換等「算力密集+能耗敏感」場(chǎng)景提供硬件加速。

過往幾年，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界持續(xù)對(duì)光計(jì)算芯片的矩陣規(guī)模、光學(xué)主頻開展深度探索，以臺(tái)積電的光計(jì)算芯片矩陣規(guī)模（~512x512）和美國加州理工學(xué)院的光計(jì)算光學(xué)主頻（>100GHz）為典型代表，分別呈現(xiàn)逼近工藝極限和物理極限的趨勢(shì)，進(jìn)一步取得突破難度頗大。因而，有效擴(kuò)展計(jì)算并行度是光計(jì)算性能提升的前沿發(fā)展方向，也是光計(jì)算邁向?qū)嵱玫谋赜芍贰?/span>

上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)圍繞光計(jì)算技術(shù)并行度提升，創(chuàng)新超高并行光計(jì)算架構(gòu)，破解光計(jì)算芯片的信息高密度信道串?dāng)_抑制、低時(shí)延光信號(hào)高精度同步和跨尺度高密度器件集成等核心挑戰(zhàn)，在融合了多波長光源、高速光交互、可重構(gòu)光計(jì)算、高精度光矩陣驅(qū)動(dòng)和并行光電混合計(jì)算算法的基礎(chǔ)上，成功研發(fā)了全新片上并行光計(jì)算集成芯片系統(tǒng)。

該系統(tǒng)核心光芯片全部自主研制，包含了自主研制的集成微腔光頻梳 (頻率間隔~50GHz，輸出光譜范圍>80nm，可支撐波長復(fù)用計(jì)算通道數(shù)>200)，作為芯片級(jí)多波長光源子系統(tǒng)；自主研制的大帶寬、低時(shí)延、可重構(gòu)光計(jì)算芯片 (通光帶寬>40nm)，作為高性能并行計(jì)算核心；自主研制的高精度、大規(guī)模、可擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)板卡，作為光學(xué)矩陣驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng) (通道數(shù)>256)；基于該光子集成芯片系統(tǒng)，首次驗(yàn)證了并行度>100 的片上光信息交互與計(jì)算原型；在 50GHz 光學(xué)主頻下，單芯片理論峰值算力>2560TOPS，功耗比>3.2TOPS/W。

超高并行光計(jì)算架構(gòu)

與傳統(tǒng)單波長光計(jì)算相比，在相同矩陣規(guī)模和光學(xué)主頻的條件下，超高并行光計(jì)算可通過波分復(fù)用提供超百路并行度，使算力提升 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。換言之，在不改變芯片硬件的情況下提升并行度，就像將單車道的高速公路改造成可并行通行百輛車的超級(jí)公路，進(jìn)而大大提高單位時(shí)間內(nèi)的吞吐量。

實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的高效運(yùn)行面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。在芯片設(shè)計(jì)層面，為支持百通道并行度，工作帶寬成為最關(guān)鍵的技術(shù)指標(biāo)，它直接決定了計(jì)算芯片的并行處理能力。該團(tuán)隊(duì)對(duì)芯片器件進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，確保器件具有足夠大的通光帶寬，并保持器件與芯片的帶寬一致性，降低信號(hào)串?dāng)_。

在操控系統(tǒng)方面，針對(duì)光計(jì)算芯片操控節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大的特點(diǎn)，研究團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了高精度多通道光矩陣驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)矩陣的精確控制。此外，光源、光交互和光計(jì)算系統(tǒng)之間的兼容性問題也需要通過系統(tǒng)工程方法進(jìn)行整體優(yōu)化設(shè)計(jì)。

光計(jì)算從前沿技術(shù)邁向?qū)嵱眯约夹g(shù)

要實(shí)現(xiàn)光計(jì)算從前沿技術(shù)邁向?qū)嵱眯约夹g(shù)，必須充分發(fā)揮光子計(jì)算相對(duì)于電子計(jì)算的優(yōu)勢(shì)，需要突破三個(gè)方面：

• 矩陣芯片規(guī)模：通過擴(kuò)大光計(jì)算芯片的矩陣規(guī)模提升計(jì)算能力，該技術(shù)路徑主要受限于器件物理性質(zhì)和制備工藝水平。

• 光學(xué)主頻：通過提高光信號(hào)的加載速率實(shí)現(xiàn)更大計(jì)算能力，其受限于器件本身的性能。

• 信息并行度墻：這是決定光計(jì)算能否實(shí)用的關(guān)鍵，需要通過多維信息復(fù)用的方式，實(shí)現(xiàn)更大的信息吞吐量。

上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)最重要的創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了光芯片的高并行度計(jì)算能力。在當(dāng)前工藝情況下，「矩陣芯片規(guī)?！购汀腹鈱W(xué)主頻」提升有限且代價(jià)大，而突破「信息并行度」是光計(jì)算性能提高的極優(yōu)選擇。其有望將光計(jì)算的算力能力提升 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí)，使其達(dá)到與電芯片、電子計(jì)算同臺(tái)競(jìng)技的性價(jià)比水平。需要特別指出的是，雖然當(dāng)前研究成果在矩陣規(guī)模和光學(xué)主頻方面仍存在提升空間，距離超越最先進(jìn) GPU 芯片的性能還有一定差距，但研究團(tuán)隊(duì)對(duì)未來發(fā)展持樂觀態(tài)度。

如果未來能將目前行業(yè)內(nèi)最大的矩陣規(guī)模、最高的光學(xué)主頻和本研究實(shí)現(xiàn)的超百并行度這三個(gè)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)集成，從理論上來看，單芯片算力有望突破 5000POPS，這一性能相當(dāng)于 1000 顆英偉達(dá)最先進(jìn)芯片的算力總和。