中國信科成功研制多功能可編程光電融合計算芯片

近日，國家信息光電子創(chuàng)新中心、光通信技術和網(wǎng)絡全國重點實驗室、鵬城實驗室聯(lián)合研發(fā)出多功能可編程的光電融合門陣列系統(tǒng)（P-FPGA）——LightIN。該系統(tǒng)由可編程光子芯片、電子控制模塊和測試—編譯—調(diào)節(jié)（TCA）智能配置框架組成，可實現(xiàn)光子計算加速、信號處理、網(wǎng)絡交換和安全加密等多種功能。相關成果發(fā)表于 Nature 子刊 Light: Science & Applications 15：165。

隨著人工智能模型規(guī)模不斷擴大，傳統(tǒng)電子計算集群在功耗、存儲、互連和速度等方面面臨瓶頸。論文指出，硅光子技術因具備高速、低時延、大帶寬和CMOS兼容等特點，已在數(shù)據(jù)傳輸中得到廣泛應用，并被積極探索用于AI集群中的光計算。然而，現(xiàn)有硅光集成芯片普遍存在功能適配性不足、軟硬件協(xié)同不夠等問題。

LightIN的核心是一枚采用SOI工藝制造的硅基集成光子芯片，采用4×4方形循環(huán)網(wǎng)格拓撲，集成40個可編程單元（共計160余個器件）。研究團隊自研TCA智能配置框架，在無需片內(nèi)監(jiān)測光電探測器的條件下，實現(xiàn)了芯片功能的高效配置與可靠調(diào)節(jié)。

在計算加速方面，LightIN實現(xiàn)了4×4雙向酉矩陣和3×3非酉矩陣乘法，計算速度超過1.92TOPS，計算精度超過6.22比特，光子核心能效達到1.875pJ/MAC�；�于該系統(tǒng)構建的神經(jīng)網(wǎng)絡在Iris數(shù)據(jù)集上的在線推理準確率達到93.33%，總時延低于260皮秒。這意味著AI大模型訓練中海量的矩陣運算任務，可通過光電子方式實現(xiàn)極低延遲的數(shù)據(jù)處理。在信號處理方面，LightIN可用于微環(huán)調(diào)制器自動波長鎖定，支持5至32Gb/s的NRZ調(diào)制系統(tǒng)。實驗結果顯示，在25℃和35℃環(huán)境下，該系統(tǒng)均能保持17dB以上信噪比和7以上Q因子，驗證了其在光I/O穩(wěn)定運行中的應用潛力。在光交換方面，研究團隊在LightIN上實現(xiàn)了4×4通道交換，在1560nm中心波長處端口間串擾最低可達-45dB，為數(shù)據(jù)中心互聯(lián)提供了高可靠解決方案。在安全加密方面，團隊在LightIN上實現(xiàn)了硅基光子物理不可克隆功能，其芯片內(nèi)漢明距離為1.7%，芯片間漢明距離為50.15%，這如同為每臺設備賦予了獨一無二的“光子指紋”，為AI集群的數(shù)據(jù)傳輸提供了硬件級安全保障，有效抵御外部攻擊。

LightIN證明了單芯片實現(xiàn)計算加速、信號處理、光交換和安全加密等多功能集成的可行性，并為大規(guī)模光子集成電路和光電子融合AI集群的發(fā)展奠定了基礎。

作為我國光電子信息領域的龍頭企業(yè)，中國信科集團長期深耕硅基光電子芯片技術研發(fā)和創(chuàng)新應用研究。此次LightIN系統(tǒng)的成功研發(fā)，驗證了可編程光子芯片在多功能集成方面的工程可行性，更為下一代光電子AI集群建設奠定了核心基礎，將為數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展注入強勁的“光子動力”。