近日，中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所空天激光技術(shù)與系統(tǒng)部謝鵬研究員團(tuán)隊(duì)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(jì)算集成芯片-“流星一號(hào)”（如圖1所示），實(shí)現(xiàn)了并行度>100的光計(jì)算原型驗(yàn)證系統(tǒng)。相關(guān)研究成果以《具備100波長復(fù)用能力的并行光計(jì)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》。

圖1.超高并行光計(jì)算集成芯片-“流星一號(hào)”

光計(jì)算作為非馮?諾伊曼結(jié)構(gòu)代表，具有可擴(kuò)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(shí)代破解高維張量運(yùn)算、復(fù)雜圖像處理等大規(guī)模數(shù)據(jù)快速計(jì)算的關(guān)鍵技術(shù)，為人工智能、科學(xué)計(jì)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(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界持續(xù)對(duì)光計(jì)算芯片的矩陣規(guī)模、光學(xué)主頻開展深度探索，以臺(tái)積電的光計(jì)算芯片矩陣規(guī)模（~512x512）和美國加州理工學(xué)院的光計(jì)算光學(xué)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(jìn)一步取得突破難度頗大。因而，有效擴(kuò)展計(jì)算并行度是光計(jì)算性能提升的前沿發(fā)展方向，也是光計(jì)算邁向?qū)嵱玫谋赜芍贰?/span>

上海光機(jī)所研究團(tuán)隊(duì)圍繞光計(jì)算技術(shù)并行度提升，創(chuàng)新超高并行光計(jì)算架構(gòu)（如圖2所示），破解光計(jì)算芯片的信息高密度信道串?dāng)_抑制、低時(shí)延光信號(hào)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(jì)算、高精度光矩陣驅(qū)動(dòng)和并行光電混合計(jì)算算法的基礎(chǔ)上,成功研發(fā)了全新片上并行光計(jì)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(fù)用計(jì)算通道數(shù)>200)，作為芯片級(jí)多波長光源子系統(tǒng)；自主研制的大帶寬、低時(shí)延、可重構(gòu)光計(jì)算芯片(通光帶寬>40nm)，作為高性能并行計(jì)算核心；自主研制的高精度、大規(guī)模、可擴(kuò)展的驅(qū)動(dòng)板卡，作為光學(xué)矩陣驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)(通道數(shù)>256)；基于該光子集成芯片系統(tǒng)，首次驗(yàn)證了并行度>100的片上光信息交互與計(jì)算原型；在50GHz光學(xué)主頻下，單芯片理論峰值算力>2560TOPS ，功耗比>3.2TOPS/W。

此研究進(jìn)展為突破光計(jì)算的計(jì)算密度瓶頸，提升光計(jì)算性能開辟了新途徑，為發(fā)展低功耗、低時(shí)延、大算力、高速率的超級(jí)光子計(jì)算機(jī)帶來了可能性。

圖2.超高并行光計(jì)算架構(gòu)

圖3.“流星一號(hào)”超高并行光計(jì)算集成芯片 (實(shí)物圖)

原文鏈接