近日，清華大學(xué)官宣交叉團(tuán)隊(duì)發(fā)布中國(guó) AI 光芯片 “太極（Taichi）”，該研究成果于 4 月 12 日發(fā)表在了最新一期學(xué)術(shù)期刊《Science》上。

據(jù)介紹，“太極” 光芯片架構(gòu)開(kāi)發(fā)過(guò)程中的靈感來(lái)自中國(guó)典籍《周易》，團(tuán)隊(duì)成員以 “易有太極，是生兩儀” 為啟發(fā)，建立了全新的計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)了光計(jì)算強(qiáng)悍性能的釋放。

正所謂巧婦難為無(wú)米之炊，算力是訓(xùn)練 AI 大模型、推理任務(wù)的關(guān)鍵，也是人工智能的硬件基礎(chǔ)。

光計(jì)算，顧名思義是將計(jì)算載體從電變?yōu)楣?，利用光在芯片中的傳播進(jìn)行計(jì)算，以其超高的并行度和速度，被認(rèn)為是未來(lái)顛覆性計(jì)算架構(gòu)的最有力競(jìng)爭(zhēng)方案之一。

光芯片具備高速高并行計(jì)算優(yōu)勢(shì)，被寄予希望用來(lái)支撐大模型等先進(jìn)人工智能應(yīng)用。如何制造出兼具大算力和高能效的下一代 AI 芯片已成為國(guó)際前沿?zé)狳c(diǎn)，而本次清華大學(xué)發(fā)布的 “太極” 光芯片將有望為大模型訓(xùn)練推理、通用人工智能、自主智能無(wú)人系統(tǒng)等提供強(qiáng)大的算力支持。

光電智能技術(shù)交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)部分成員合影(左三為戴瓊海院士、右二為方璐副教授)

作為近年來(lái)新興的計(jì)算模態(tài)，智能光計(jì)算具備高速、低功耗等特性，在后摩爾時(shí)代擁有超越硅基電子計(jì)算的潛力，可以突破性解決人工智能領(lǐng)域的算力與功耗難題。

可是其痛點(diǎn)在于，光的計(jì)算優(yōu)勢(shì)被困在了 “水土不服” 的電架構(gòu)中，導(dǎo)致計(jì)算規(guī)模受限，無(wú)法支撐復(fù)雜大模型智能計(jì)算。

對(duì)此，清華大學(xué)電子工程系方璐副教授課題組、自動(dòng)化系戴瓊海院士課題組摒棄了傳統(tǒng)電子深度計(jì)算范式構(gòu)建智能光計(jì)算通用傳播模型，另辟蹊徑地首創(chuàng)了分布式廣度智能光計(jì)算架構(gòu)，研制出全球首款大規(guī)模干涉衍射異構(gòu)集成芯片 “太極（Taichi）”，實(shí)現(xiàn)了 160 TOPS/W 的通用智能計(jì)算。

相異于電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依賴網(wǎng)絡(luò)深度以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算與功能，“太極” 光芯片架構(gòu)源自光計(jì)算獨(dú)特的全連接與高并行屬性，化深度計(jì)算為分布式廣度計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模易擴(kuò)展、計(jì)算高并行、系統(tǒng)強(qiáng)魯棒的通用智能光計(jì)算探索了新路徑。

每一個(gè)研究成果都匯集了每一位成員的心血，方璐教授將本次科研比擬為浪漫的雙向奔赴：從算法架構(gòu)上自頂向下探索，在硬件芯片設(shè)計(jì)上自底向上推演。

據(jù)論文第一作者、電子系博士生徐智吳介紹，在 “太極” 架構(gòu)中，自頂向下的編碼拆分-解碼重構(gòu)機(jī)制，將復(fù)雜智能任務(wù)化繁為簡(jiǎn)，拆分為多通道高并行的子任務(wù)，構(gòu)建的分布式 “大感受野” 淺層光網(wǎng)絡(luò)對(duì)子任務(wù)分而治之，突破物理模擬器件多層深度級(jí)聯(lián)的固有計(jì)算誤差。

團(tuán)隊(duì)以周易典籍 “易有太極，是生兩儀” 為啟發(fā)，建立干涉-行射聯(lián)合傳播模型，融合衍射光計(jì)算大規(guī)模并行優(yōu)勢(shì)與干涉光計(jì)算靈活重構(gòu)特性，將衍射編解碼與干涉特征計(jì)算進(jìn)行部分/整體重構(gòu)復(fù)用，以時(shí)序復(fù)用突破通量瓶頸，自底向上支撐分布式廣度光計(jì)算架構(gòu)，為片上大規(guī)模通用智能光計(jì)算探索了新路徑。

論文報(bào)道，“太極” 光芯片具備 879 T MACS/mm^2 的面積效率與 160 TOPS/N 的能量效率。首次賦能光計(jì)算實(shí)現(xiàn)自然場(chǎng)景千類對(duì)象識(shí)別、跨模態(tài)內(nèi)容生成等人工智能復(fù)雜任務(wù)。

清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了片上（on-chip）1396 萬(wàn)光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ONN），可用于復(fù)雜的千類別級(jí)分類和人工智能生成內(nèi)容任務(wù)。

此外，太極光芯片的計(jì)算能效超現(xiàn)有智能芯片 2—3 個(gè)數(shù)量級(jí)，可為百億像素大場(chǎng)景光速智能分析、百億參數(shù)大模型訓(xùn)練推理、毫瓦級(jí)低功耗自主智能無(wú)人系統(tǒng)提供算力支撐。

方璐教授表示，之所以將光芯片命名為 “太極”，也是希望可以在如今大模型通用人工智能蓬勃發(fā)展的時(shí)代，以光子之道，為高性能計(jì)算探索新靈感、新架構(gòu)、新路徑。