中國(guó)信科成功研制多功能可編程光電融合計(jì)算芯片

近日，國(guó)家信息光電子創(chuàng)新中心、光通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、鵬城實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研發(fā)出多功能可編程的光電融合門陣列系統(tǒng)（P-FPGA）——LightIN。該系統(tǒng)由可編程光子芯片、電子控制模塊和測(cè)試—編譯—調(diào)節(jié)（TCA）智能配置框架組成，可實(shí)現(xiàn)光子計(jì)算加速、信號(hào)處理、網(wǎng)絡(luò)交換和安全加密等多種功能。相關(guān)成果發(fā)表于 Nature 子刊 Light: Science & Applications 15：165。

隨著人工智能模型規(guī)模不斷擴(kuò)大，傳統(tǒng)電子計(jì)算集群在功耗、存儲(chǔ)、互連和速度等方面面臨瓶頸。論文指出，硅光子技術(shù)因具備高速、低時(shí)延、大帶寬和CMOS兼容等特點(diǎn)，已在數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛應(yīng)用，并被積極探索用于AI集群中的光計(jì)算。然而，現(xiàn)有硅光集成芯片普遍存在功能適配性不足、軟硬件協(xié)同不夠等問(wèn)題。

LightIN的核心是一枚采用SOI工藝制造的硅基集成光子芯片，采用4×4方形循環(huán)網(wǎng)格拓?fù)�，集�?0個(gè)可編程單元（共計(jì)160余個(gè)器件）。研究團(tuán)隊(duì)自研TCA智能配置框架，在無(wú)需片內(nèi)監(jiān)測(cè)光電探測(cè)器的條件下，實(shí)現(xiàn)了芯片功能的高效配置與可靠調(diào)節(jié)。

在計(jì)算加速方面，LightIN實(shí)現(xiàn)了4×4雙向酉矩陣和3×3非酉矩陣乘法，計(jì)算速度超過(guò)1.92TOPS，計(jì)算精度超過(guò)6.22比特，光子核心能效達(dá)到1.875pJ/MAC�；�于該系統(tǒng)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在Iris數(shù)據(jù)集上的在線推理準(zhǔn)確率達(dá)到93.33%，總時(shí)延低于260皮秒。這意味著AI大模型訓(xùn)練中海量的矩陣運(yùn)算任務(wù)，可通過(guò)光電子方式實(shí)現(xiàn)極低延遲的數(shù)據(jù)處理。在信號(hào)處理方面，LightIN可用于微環(huán)調(diào)制器自動(dòng)波長(zhǎng)鎖定，支持5至32Gb/s的NRZ調(diào)制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在25℃和35℃環(huán)境下，該系統(tǒng)均能保持17dB以上信噪比和7以上Q因子，驗(yàn)證了其在光I/O穩(wěn)定運(yùn)行中的應(yīng)用潛力。在光交換方面，研究團(tuán)隊(duì)在LightIN上實(shí)現(xiàn)了4×4通道交換，在1560nm中心波長(zhǎng)處端口間串?dāng)_最低可達(dá)-45dB，為數(shù)據(jù)中心互聯(lián)提供了高可靠解決方案。在安全加密方面，團(tuán)隊(duì)在LightIN上實(shí)現(xiàn)了硅基光子物理不可克隆功能，其芯片內(nèi)漢明距離為1.7%，芯片間漢明距離為50.15%，這如同為每臺(tái)設(shè)備賦予了獨(dú)一無(wú)二的“光子指紋”，為AI集群的數(shù)據(jù)傳輸提供了硬件級(jí)安全保障，有效抵御外部攻擊。

LightIN證明了單芯片實(shí)現(xiàn)計(jì)算加速、信號(hào)處理、光交換和安全加密等多功能集成的可行性，并為大規(guī)模光子集成電路和光電子融合AI集群的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

作為我國(guó)光電子信息領(lǐng)域的龍頭企業(yè)，中國(guó)信科集團(tuán)長(zhǎng)期深耕硅基光電子芯片技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新應(yīng)用研究。此次LightIN系統(tǒng)的成功研發(fā)，驗(yàn)證了可編程光子芯片在多功能集成方面的工程可行性，更為下一代光電子AI集群建設(shè)奠定了核心基礎(chǔ)，將為數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展注入強(qiáng)勁的“光子動(dòng)力”。