業(yè)內消息，本周清華大學自動化系教授、中國工程院院士戴瓊海，助理教授吳嘉敏與電子工程系副教授方璐，副研究員喬飛聯(lián)合攻關提出了一種 “掙脫” 摩爾定律的全新計算架構：光電模擬芯片，算力達到目前高性能商用芯片的 3000 余倍。

據悉，相關成果以“高速視覺任務中的純模擬光電芯片”（All-analog photo-electronic chip for high-speed vision tasks）為題，以長文（article）形式發(fā)表在《自然》（Nature）期刊上。

2023年諾貝爾物理學獎授予了阿秒激光技術。作為人類已知的宇宙中最快速度之一，許多超高速物理領域都少不了光的身影。然而，科學家們用光做計算并不是一件容易的事。當計算載體從電變?yōu)楣?，就需要利用光傳播中攜帶的信息進行計算。

數(shù)年來，海內外知名團隊相繼提出多種設計，但要替代現(xiàn)有電子器件實現(xiàn)系統(tǒng)級應用，仍面臨許多國際難題：一是如何在一枚芯片上集成大規(guī)模的計算單元，并且約束誤差累計程度；二是如何實現(xiàn)高速高效的片上非線性；三是為兼容目前以電子信號為主體的信息社會，如何提供光計算與電子信號計算的高效接口。如果不能解決這幾個問題，光計算就難以真正替代當前的電子芯片，在信息社會大展身手。

對此，清華大學攻關團隊創(chuàng)造性地提出了光電深度融合的計算框架。從最本質的物理原理出發(fā)，結合了基于電磁波空間傳播的光計算，與基于基爾霍夫定律的純模擬電子計算，“掙脫”傳統(tǒng)芯片架構中數(shù)據轉換速度、精度與功耗相互制約的物理瓶頸，在一枚芯片上突破大規(guī)模計算單元集成、高效非線性、高速光電接口三個國際難題。

實測表現(xiàn)下，光電融合芯片的系統(tǒng)級算力較現(xiàn)有的高性能芯片架構提升了數(shù)千倍。然而，如此驚人的算力，還只是這枚芯片諸多優(yōu)勢的其中之一。

在研發(fā)團隊演示的智能視覺任務和交通場景計算中，光電融合芯片的系統(tǒng)級能效（單位能量可進行的運算數(shù)）實測達到了 74.8 Peta-OPS/W，是現(xiàn)有高性能芯片的 400 萬余倍。形象地說，原本供現(xiàn)有芯片工作一小時的電量，可供它工作500多年。

目前限制芯片集成極限的一個關鍵因素，就是過高密度帶來的散熱難題。而在超低功耗下運行的光電融合芯片將有助于大幅度改善芯片發(fā)熱問題，為芯片的未來設計帶來全方位突破。

更進一步，該芯片光學部分的加工最小線寬僅采用百納米級，而電路部分僅采用 180nm CMOS 工藝，已取得比7納米制程的高性能芯片多個數(shù)量級的性能提升。與此同時，其所使用的材料簡單易得，造價僅為后者的幾十分之一。

戴瓊海介紹：“開發(fā)出人工智能時代的全新計算架構是一座高峰，而將新架構真正落地到現(xiàn)實生活，解決國計民生的重大需求，是更重要的攻關，也是我們的責任?！薄蹲匀弧菲诳匮l(fā)表的該研究專題評述也指出，“或許這枚芯片的出現(xiàn)，會讓新一代計算架構，比預想中早得多地進入日常生活?！?span>

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41586-023-06558-8

來源：清華大學、科學網