數(shù)據(jù)寶
余莉
2025-12-23 10:57
中國光計算芯片領域取得重大突破。
據(jù)最新消息，上海交通大學科研人員近日在新一代光計算芯片領域取得重大突破，首次實現(xiàn)支持大規(guī)模語義媒體生成模型的全光計算芯片LightGen，相關成果12月19日發(fā)表于《科學》雜志。
光計算具有可擴展、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)快速計算的關鍵技術，為人工智能（AI）、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。
重大突破
據(jù)新華社消息，上海交通大學科研人員近日在新一代光計算芯片領域取得突破，首次實現(xiàn)了支持大規(guī)模語義媒體生成模型的全光計算芯片。
據(jù)了解，隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡和大規(guī)模生成模型迅猛演進帶來超高算力和能耗需求，傳統(tǒng)芯片架構(gòu)的性能增長速度已出現(xiàn)嚴重缺口，光計算等新型架構(gòu)受到廣泛關注。
“所謂光計算，可以理解為，不是讓電子在晶體管中運行，而是讓光在芯片中傳播，用光場的變化完成計算。光天然具備高速和并行的優(yōu)勢，因此被視為突破算力與能耗瓶頸的重要方向?！闭撐淖髡?、上海交大集成電路學院助理教授陳一彤表示，把光計算真正用到生成式AI上并不簡單，已有的全光計算芯片主要局限于小規(guī)模、分類任務，光電級聯(lián)或復用又會嚴重削弱光計算速度。如何讓下一代算力光芯片運行復雜生成模型，是全球智能計算領域公認的難題。
陳一彤課題組此次提出并實現(xiàn)了全光大規(guī)模語義生成芯片LightGen，采用極嚴格算力評價標準的實測表明：即便采用性能較滯后的輸入設備，LightGen仍可取得相比頂尖數(shù)字芯片2個數(shù)量級的算力和能效提升。團隊表示，LightGen之所以實現(xiàn)性能飛躍，在于其在單枚芯片上同時突破了“單片上百萬級光學神經(jīng)元集成”“全光維度轉(zhuǎn)換”“不依賴真值的光學生成模型訓練算法”三項關鍵瓶頸，使得面向大規(guī)模生成任務的全光端到端實現(xiàn)成為可能。
據(jù)介紹，LightGen可完整實現(xiàn)“輸入—理解—語義操控—生成”的閉環(huán)，完成高分辨率（≥512×512）圖像語義生成、3D生成（NeRF）、高清視頻生成及語義調(diào)控，同時支持去噪、局部與全局特征遷移等多項大規(guī)模生成式任務。
“LightGen為新一代光計算芯片助力前沿AI開辟了新路徑，也為探索更高速、更高能效的生成式智能計算提供了新的研究方向?！标愐煌f。
光計算的優(yōu)勢
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)快速計算的關鍵技術，為AI、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?/p>
今年6月17日，據(jù)中國科學院上海分院官網(wǎng)消息，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統(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》。
上海光機所研究團隊圍繞光計算技術并行度提升，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。
此研究進展為突破光計算的計算密度瓶頸，提升光計算性能開辟了新途徑，為發(fā)展低功耗、低時延、大算力、高速率的超級光子計算機帶來了可能性。
排版：劉珺宇
校對：冉燕青
