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　　清華大學(xue)自(zi)動(dong)化系戴瓊(qiong)海院士、吳嘉敏助理教(jiao)授與電(dian)(dian)子工程系方(fang)璐副(fu)教(jiao)授、喬飛副(fu)研究員聯合攻關，研發出(chu)超高速(su)光(guang)電(dian)(dian)模擬(ni)芯(xin)片(pian)，算力(li)達到(dao)目前(qian)高性能商用(yong)芯(xin)片(pian)的(de)3000余(yu)倍。相關成(cheng)果近日以(yi)“高速(su)視覺任務中(zhong)的(de)純模擬(ni)光(guang)電(dian)(dian)芯(xin)片(pian)”為(wei)題，以(yi)長文形式發表在《自(zi)然》期刊上。如果用(yong)交通(tong)工具的(de)運行時(shi)(shi)間來(lai)類比芯(xin)片(pian)中(zhong)信息流計算的(de)時(shi)(shi)間，那(nei)么(me)這(zhe)枚芯(xin)片(pian)的(de)出(chu)現，相當(dang)于將京(jing)廣高鐵8小(xiao)時(shi)(shi)的(de)運行時(shi)(shi)間縮短到(dao)8秒(miao)鐘(zhong)。

　　這是一種“掙脫”摩(mo)(mo)爾定律的(de)全新(xin)計(ji)算架構(gou)(gou)。1965年，英特爾創始(shi)人(ren)之一戈(ge)登·摩(mo)(mo)爾提出影(ying)響芯片行業半個多世(shi)紀的(de)“摩(mo)(mo)爾定律”：預言每隔約(yue)兩年，集成(cheng)電路可容納的(de)晶體管數目(mu)便(bian)增加一倍。半導體領域按摩(mo)(mo)爾定律繁榮發(fa)展了數十年，“芯片”，成(cheng)為人(ren)類(lei)邁入智(zhi)能時代的(de)重要引擎。然(ran)而隨著晶體管尺寸接(jie)近物理極限，近十年內摩(mo)(mo)爾定律已放緩(huan)甚至面臨(lin)失效。如何構(gou)(gou)建(jian)新(xin)一代計(ji)算架構(gou)(gou)，建(jian)立(li)人(ren)工智(zhi)能時代的(de)芯片“新(xin)”秩序，成(cheng)為當前(qian)國際社(she)會(hui)高度關注的(de)前(qian)沿熱點。

　　作(zuo)為人類(lei)已知的(de)(de)(de)宇(yu)宙中最快速(su)(su)度(du)之(zhi)一(yi)，許多超高(gao)速(su)(su)物理領域(yu)都少不(bu)了光的(de)(de)(de)身影。然而(er)科(ke)學家們用光來(lai)做計算(suan)，并(bing)不(bu)是(shi)一(yi)件容(rong)易的(de)(de)(de)事。當計算(suan)載體(ti)(ti)從電(dian)變(bian)為光，就需要利用光傳(chuan)播中攜(xie)帶的(de)(de)(de)信(xin)(xin)息(xi)進行(xing)計算(suan)。數年來(lai)海內外知名團隊(dui)相繼提出多種設(she)計，但(dan)要替代(dai)(dai)現有電(dian)子(zi)器件實(shi)(shi)現系(xi)統級應用，仍面臨許多國際難題(ti)：一(yi)是(shi)如何在一(yi)枚芯(xin)片(pian)(pian)上(shang)集成大規模的(de)(de)(de)計算(suan)單元，并(bing)且約束(shu)誤差累(lei)計程度(du)；二是(shi)如何實(shi)(shi)現高(gao)速(su)(su)高(gao)效(xiao)的(de)(de)(de)片(pian)(pian)上(shang)非線性；三是(shi)為兼(jian)容(rong)目前(qian)以電(dian)子(zi)信(xin)(xin)號為主體(ti)(ti)的(de)(de)(de)信(xin)(xin)息(xi)社會，如何提供(gong)光計算(suan)與電(dian)子(zi)信(xin)(xin)號計算(suan)的(de)(de)(de)高(gao)效(xiao)接口。如果(guo)不(bu)能解決這幾個問題(ti)，光計算(suan)就難以真正替代(dai)(dai)當前(qian)的(de)(de)(de)電(dian)子(zi)芯(xin)片(pian)(pian)，在信(xin)(xin)息(xi)社會大展身手。

　　在這枚小小的(de)芯片中，清(qing)華大學攻關團隊創造(zao)性(xing)地提(ti)出了光電(dian)深度(du)融合的(de)計(ji)(ji)算(suan)(suan)框架。從最(zui)本質的(de)物(wu)(wu)理(li)原(yuan)理(li)出發，結合了基于電(dian)磁(ci)波(bo)空間傳播的(de)光計(ji)(ji)算(suan)(suan)，與基于基爾霍夫(fu)定(ding)律的(de)純模(mo)擬電(dian)子(zi)計(ji)(ji)算(suan)(suan)，“掙脫(tuo)”傳統芯片架構中數據轉換速度(du)、精(jing)度(du)與功耗相互制約(yue)的(de)物(wu)(wu)理(li)瓶頸，在一(yi)枚芯片上(shang)突破大規模(mo)計(ji)(ji)算(suan)(suan)單元集成、高(gao)效非線性(xing)、高(gao)速光電(dian)接(jie)口三個國際(ji)難題。

圖片來源：清華大學(xue)新聞網

　　實測表現下，光電融合芯片(pian)(pian)的系統級算力(li)(li)較(jiao)現有(you)的高性能芯片(pian)(pian)架構(gou)提升了數千(qian)倍。然而，如此驚人的算力(li)(li)，還只(zhi)是這枚芯片(pian)(pian)諸多優勢的其中之一。

　　在研發團(tuan)隊演(yan)示的(de)智能視覺任務和交通場景計算中，光電融合芯片(pian)的(de)系統級能效(單位能量(liang)可進行(xing)的(de)運算數)實測達到了(le)74.8 Peta-OPS/W，是現有高性能芯片(pian)的(de)400萬余倍(bei)。形象地(di)說，原本(ben)供現有芯片(pian)工作(zuo)(zuo)一小時的(de)電量(liang)，可供它工作(zuo)(zuo)500多年。

　　目前(qian)限制(zhi)芯片(pian)集成極限的一個關鍵因素，就是(shi)過高密度帶來(lai)的散熱(re)難(nan)題(ti)。而(er)在超低功耗下運行的光電融合芯片(pian)將有助于大幅度改善芯片(pian)發熱(re)問題(ti)，為芯片(pian)的未來(lai)設計帶來(lai)全方位突破。

　　更進一(yi)步，該芯片光學部(bu)分的(de)(de)加工(gong)最小線寬(kuan)僅(jin)采用(yong)百(bai)納(na)米級，而電路部(bu)分僅(jin)采用(yong)180nm CMOS工(gong)藝，已取得(de)(de)比(bi)7納(na)米制程的(de)(de)高(gao)性能芯片多個數量級的(de)(de)性能提升。與(yu)此同時，其所使用(yong)的(de)(de)材(cai)料簡單易得(de)(de)，造價僅(jin)為后者(zhe)的(de)(de)幾十(shi)分之(zhi)一(yi)。

　　科幻電(dian)(dian)(dian)影《流浪地球(qiu)》中(zhong)，人工智能(neng)系統(tong)Moss僅幾秒鐘(zhong)便可(ke)遍(bian)歷所有(you)拯救地球(qiu)的(de)(de)方案(an)。在清(qing)華大學團隊提出(chu)的(de)(de)超高性能(neng)光電(dian)(dian)(dian)芯片下(xia)，“未來(lai)(lai)計(ji)算機”的(de)(de)誕(dan)生似乎已不再遙(yao)遠(yuan)。光電(dian)(dian)(dian)融(rong)合的(de)(de)新型架構(gou)，不僅開辟出(chu)這(zhe)項(xiang)未來(lai)(lai)技(ji)術通往日常生活的(de)(de)一條新路徑，還對量(liang)子(zi)計(ji)算、存內計(ji)算等其他未來(lai)(lai)高效能(neng)技(ji)術與當前電(dian)(dian)(dian)子(zi)信息系統(tong)的(de)(de)融(rong)合深有(you)啟(qi)發(fa)。

　　論文通(tong)訊作(zuo)者之(zhi)一戴瓊海(hai)院士介(jie)紹道：“開發(fa)出人(ren)工智(zhi)能時代的全新(xin)計(ji)算架構是一座高(gao)峰，而將新(xin)架構真正落地到現(xian)實生(sheng)活，解決國計(ji)民生(sheng)的重大需求，是更重要的攻關，也(ye)是我(wo)們的責任。”《自然》期刊(kan)特邀發(fa)表的該研究專題評述也(ye)指出，“或許這枚芯片的出現(xian)，會讓新(xin)一代計(ji)算架構，比(bi)預想中早得多地進(jin)入日常生(sheng)活。”