清華大學(xué)在智能光計(jì)算領(lǐng)域取得突破

繼構(gòu)建智能光計(jì)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(dòng)化系戴瓊海教授課題組在智能光計(jì)算領(lǐng)域獲得新突破：首創(chuàng)全前向智能光計(jì)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(bǔ)了智能光計(jì)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(dòng)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(zhǎng)期以來電子計(jì)算芯片的算力增長(zhǎng)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(jì)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(jì)算模態(tài)，以光為計(jì)算媒介，以光的可控傳播構(gòu)建計(jì)算模型，光計(jì)算以其高算力低能耗特性打開了智能光計(jì)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(jì)算芯片「太極」的問世首次將光計(jì)算從原理驗(yàn)證推向了大規(guī)模實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(shí)測(cè)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(jì)算成像等方面均表現(xiàn)出卓越性能。它突破了計(jì)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(chǎng)景成像應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了千赫茲幀率的計(jì)算成像，成像效率提升 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。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(shí)間完成 AI 大模型等大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練進(jìn)程，大幅節(jié)省時(shí)間與能源開銷；并能實(shí)時(shí)解析復(fù)雜場(chǎng)景，為醫(yī)療診斷、工業(yè)檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(tuán)隊(duì)正積極地向智能光芯片產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)，在多種端側(cè)智能系統(tǒng)上進(jìn)行應(yīng)用部署。

「智能光計(jì)算平臺(tái)將逐步登上 AI 算力舞臺(tái)，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(jì)算開辟新路徑。」戴瓊海說。

隨著 5G、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型信息技術(shù)的迭代升級(jí)和普及應(yīng)用，全社會(huì)數(shù)據(jù)流量和算力需求迎來爆發(fā)式增長(zhǎng)。同時(shí)，傳統(tǒng)電芯片性能的進(jìn)一步提升面臨摩爾定律演進(jìn)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(duì)光的處理和測(cè)量實(shí)現(xiàn)信息感知、傳輸、存儲(chǔ)、計(jì)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(shì)，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(jī)。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(duì)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(tái)實(shí)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(chǎng)景來選擇材料體系。從市場(chǎng)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(jì)價(jià)值。

Ⅲ-Ⅴ族光子集成體系起步較早、潛力較大，但進(jìn)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(shì)，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(duì)較高，在傳輸、感知、顯示等應(yīng)用領(lǐng)域已占據(jù)市場(chǎng)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(jìn)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。