世界首顆超高并行光計算集成芯片「流星一號」

近日，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部謝鵬研究員團隊在解決「光芯片上高密度信息并行處理」難題上取得突破，研制出超高并行光計算集成芯片「流星一號」，實現(xiàn)了并行度>100 的光計算原型驗證系統(tǒng)。相關(guān)研究成果以《具備 100 波長復用能力的并行光計算》（Parallel Optical Computing Capable of 100-Wavelength Multiplexing）為題，以封面論文形式發(fā)表于《光：快訊》。

超高并行光計算集成芯片-「流星一號」

光計算集成芯片系統(tǒng)

光計算作為非馮·諾伊曼結(jié)構(gòu)代表，具有可擴展、低功耗、超高速、寬帶寬、高并行度的天然優(yōu)勢，是后摩爾時代破解高維張量運算、復雜圖像處理等大規(guī)模數(shù)據(jù)快速計算的關(guān)鍵技術(shù)，為人工智能、科學計算、多模態(tài)融合感知、超大規(guī)模數(shù)據(jù)交換等「算力密集+能耗敏感」場景提供硬件加速。

過往幾年，學術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界持續(xù)對光計算芯片的矩陣規(guī)模、光學主頻開展深度探索，以臺積電的光計算芯片矩陣規(guī)模（~512x512）和美國加州理工學院的光計算光學主頻（>100GHz）為典型代表，分別呈現(xiàn)逼近工藝極限和物理極限的趨勢，進一步取得突破難度頗大。因而，有效擴展計算并行度是光計算性能提升的前沿發(fā)展方向，也是光計算邁向?qū)嵱玫谋赜芍贰?/span>

上海光機所研究團隊圍繞光計算技術(shù)并行度提升，創(chuàng)新超高并行光計算架構(gòu)，破解光計算芯片的信息高密度信道串擾抑制、低時延光信號高精度同步和跨尺度高密度器件集成等核心挑戰(zhàn)，在融合了多波長光源、高速光交互、可重構(gòu)光計算、高精度光矩陣驅(qū)動和并行光電混合計算算法的基礎上，成功研發(fā)了全新片上并行光計算集成芯片系統(tǒng)。

該系統(tǒng)核心光芯片全部自主研制，包含了自主研制的集成微腔光頻梳 (頻率間隔~50GHz，輸出光譜范圍>80nm，可支撐波長復用計算通道數(shù)>200)，作為芯片級多波長光源子系統(tǒng)；自主研制的大帶寬、低時延、可重構(gòu)光計算芯片 (通光帶寬>40nm)，作為高性能并行計算核心；自主研制的高精度、大規(guī)模、可擴展的驅(qū)動板卡，作為光學矩陣驅(qū)動子系統(tǒng) (通道數(shù)>256)；基于該光子集成芯片系統(tǒng)，首次驗證了并行度>100 的片上光信息交互與計算原型；在 50GHz 光學主頻下，單芯片理論峰值算力>2560TOPS，功耗比>3.2TOPS/W。

超高并行光計算架構(gòu)

與傳統(tǒng)單波長光計算相比，在相同矩陣規(guī)模和光學主頻的條件下，超高并行光計算可通過波分復用提供超百路并行度，使算力提升 2 個數(shù)量級。換言之，在不改變芯片硬件的情況下提升并行度，就像將單車道的高速公路改造成可并行通行百輛車的超級公路，進而大大提高單位時間內(nèi)的吞吐量。

實現(xiàn)整個系統(tǒng)的高效運行面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。在芯片設計層面，為支持百通道并行度，工作帶寬成為最關(guān)鍵的技術(shù)指標，它直接決定了計算芯片的并行處理能力。該團隊對芯片器件進行了特殊設計，確保器件具有足夠大的通光帶寬，并保持器件與芯片的帶寬一致性，降低信號串擾。

在操控系統(tǒng)方面，針對光計算芯片操控節(jié)點數(shù)量龐大的特點，研究團隊自主研發(fā)了高精度多通道光矩陣驅(qū)動子系統(tǒng)，以實現(xiàn)對光學矩陣的精確控制。此外，光源、光交互和光計算系統(tǒng)之間的兼容性問題也需要通過系統(tǒng)工程方法進行整體優(yōu)化設計。

光計算從前沿技術(shù)邁向?qū)嵱眯约夹g(shù)

要實現(xiàn)光計算從前沿技術(shù)邁向?qū)嵱眯约夹g(shù)，必須充分發(fā)揮光子計算相對于電子計算的優(yōu)勢，需要突破三個方面：

• 矩陣芯片規(guī)模：通過擴大光計算芯片的矩陣規(guī)模提升計算能力，該技術(shù)路徑主要受限于器件物理性質(zhì)和制備工藝水平。

• 光學主頻：通過提高光信號的加載速率實現(xiàn)更大計算能力，其受限于器件本身的性能。

• 信息并行度墻：這是決定光計算能否實用的關(guān)鍵，需要通過多維信息復用的方式，實現(xiàn)更大的信息吞吐量。

上海光機所研究團隊最重要的創(chuàng)新點在于實現(xiàn)了光芯片的高并行度計算能力。在當前工藝情況下，「矩陣芯片規(guī)?！购汀腹鈱W主頻」提升有限且代價大，而突破「信息并行度」是光計算性能提高的極優(yōu)選擇。其有望將光計算的算力能力提升 2-3 個數(shù)量級，使其達到與電芯片、電子計算同臺競技的性價比水平。需要特別指出的是，雖然當前研究成果在矩陣規(guī)模和光學主頻方面仍存在提升空間，距離超越最先進 GPU 芯片的性能還有一定差距，但研究團隊對未來發(fā)展持樂觀態(tài)度。

如果未來能將目前行業(yè)內(nèi)最大的矩陣規(guī)模、最高的光學主頻和本研究實現(xiàn)的超百并行度這三個關(guān)鍵參數(shù)進行系統(tǒng)集成，從理論上來看，單芯片算力有望突破 5000POPS，這一性能相當于 1000 顆英偉達最先進芯片的算力總和。