清華大學(xué)在智能光計算領(lǐng)域取得突破

繼構(gòu)建智能光計算的通用傳播模型、研制全球首款大規(guī)模干涉—衍射異構(gòu)集成芯片「太極」后，清華大學(xué)電子工程系方璐教授課題組、自動化系戴瓊海教授課題組在智能光計算領(lǐng)域獲得新突破：首創(chuàng)全前向智能光計算訓(xùn)練架構(gòu)，成功研制「太極-II」通用光訓(xùn)練芯片。該芯片填補了智能光計算在大規(guī)模訓(xùn)練這一核心拼圖中的空白，將與初代「太極」一起合力為 AI 大模型的訓(xùn)練、推理注入算力發(fā)展的新動力，構(gòu)建光算力的新基座。相關(guān)成果以「光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全前向訓(xùn)練」為題，于近日發(fā)表于《自然》期刊。

人工智能大模型的迅猛發(fā)展與廣泛應(yīng)用，使得算力成為重大的戰(zhàn)略抓手與基礎(chǔ)設(shè)施。長期以來電子計算芯片的算力增長支撐著 AI 模型規(guī)模的不斷發(fā)展，然而其高能耗亦帶來了前所未有的能源挑戰(zhàn)，新興智能計算范式的建立與發(fā)展迫在眉睫。光具有干涉、衍射等多維計算模態(tài)，以光為計算媒介，以光的可控傳播構(gòu)建計算模型，光計算以其高算力低能耗特性打開了智能光計算的新賽道，展現(xiàn)出了巨大潛力。

研究組介紹，訓(xùn)練和推理是 AI 大模型核心能力的兩大基石，缺一不可。通用智能光計算芯片「太極」的問世首次將光計算從原理驗證推向了大規(guī)模實驗應(yīng)用，為復(fù)雜智能任務(wù)的推理帶來了曙光。然而，初代「太極」尚未釋放智能光計算的「訓(xùn)練之能」。

據(jù)悉，「太極-II」光訓(xùn)練芯片以物理光學(xué)特性為啟發(fā)建立了新型的光訓(xùn)練架構(gòu)，克服了計算精度差、訓(xùn)練速度慢、能量效率低的瓶頸，支撐多尺度復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的高效高精度在線訓(xùn)練。

系統(tǒng)實測結(jié)果表明，「太極-II」智能光訓(xùn)練架構(gòu)在大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練、計算成像等方面均表現(xiàn)出卓越性能。它突破了計算精度與效率的矛盾，將數(shù)百萬參數(shù)的光網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度提升了 1 個數(shù)量級，代表性智能分類任務(wù)的準(zhǔn)確率提升 40%。在非視域等復(fù)雜場景成像應(yīng)用中，實現(xiàn)了千赫茲幀率的計算成像，成像效率提升 2 個數(shù)量級。這些成果表明，在同等參數(shù)規(guī)模下，相較于圖形處理器（GPU），「太極-II」有望能以十分之一的時間完成 AI 大模型等大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練進程，大幅節(jié)省時間與能源開銷；并能實時解析復(fù)雜場景，為醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域提供高速精準(zhǔn)的解決方案。

據(jù)悉，在原理樣片的基礎(chǔ)上，研究團隊正積極地向智能光芯片產(chǎn)業(yè)化邁進，在多種端側(cè)智能系統(tǒng)上進行應(yīng)用部署。

「智能光計算平臺將逐步登上 AI 算力舞臺，將能以更低的資源消耗和更小的邊際成本，為人工智能大模型、通用人工智能、復(fù)雜智能系統(tǒng)的高速高能效計算開辟新路徑?！勾鳝偤Ｕf。

隨著 5G、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術(shù)的迭代升級和普及應(yīng)用，全社會數(shù)據(jù)流量和算力需求迎來爆發(fā)式增長。同時，傳統(tǒng)電芯片性能的進一步提升面臨摩爾定律演進失效的問題，算力供需矛盾日漸突顯。光芯片以光為信息載體，是與電芯片平行發(fā)展的器件集成體系。光芯片通過對光的處理和測量實現(xiàn)信息感知、傳輸、存儲、計算、顯示等功能，因其具有速度快、穩(wěn)定性高、工藝精度要求低和可多維度復(fù)用等優(yōu)勢，有望打破電芯片的發(fā)展禁錮，為芯片發(fā)展帶來新的契機。光芯片技術(shù)多體系并存趨于多維融合

區(qū)別于電芯片相對單一的材料體系，光芯片可通過硅系、玻璃、聚合物、二維材料、Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體等多種材料平臺實現(xiàn)。因此，光芯片需依據(jù)擬適配的器件類型、功能方向和應(yīng)用場景來選擇材料體系。從市場規(guī)模和產(chǎn)業(yè)落地情況看，Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系、硅基光子集成體系和平面光波導(dǎo)（PLC）光子集成體系將在未來的光芯片產(chǎn)業(yè)中具有較高的經(jīng)濟價值。

Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系起步較早、潛力較大，但進一步發(fā)展仍有問題待研究解決。Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系是以磷、銦、砷、鎵等Ⅲ-Ⅴ主族元素材料為主體的集成技術(shù)體系。依托原子直接帶隙的物理優(yōu)勢，Ⅲ-Ⅴ族元素材料可兼容無源和有源光器件，成為理想的光學(xué)集成體系。該體系研究起步較早，成熟度相對較高，在傳輸、感知、顯示等應(yīng)用領(lǐng)域已占據(jù)市場主導(dǎo)地位。當(dāng)前，Ⅲ-Ⅴ族光芯片正向小型化、兼容化、多功能化的方向發(fā)展。但是，受晶圓尺寸和加工制備等因素限制，系統(tǒng)進一步提高集成度在技術(shù)研究和加工工藝方面仍有問題待研究解決。