中國科學(xué)家研制出首個全模擬光電智能計算芯片

全模擬光電智能計算芯片效果圖。新華社發(fā)

經(jīng)長期聯(lián)合攻關(guān)，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)突破傳統(tǒng)芯片的物理瓶頸，創(chuàng)造性提出光電融合的全新計算框架，并研制出國際首個全模擬光電智能計算芯片（簡稱ACCEL）。經(jīng)實(shí)測，該芯片在智能視覺目標(biāo)識別任務(wù)方面的算力可達(dá)目前高性能商用芯片的3000余倍，為超高性能芯片的研發(fā)開辟全新路徑。該成果近日發(fā)表于《自然》雜志上。

近年來，如何構(gòu)建新的計算架構(gòu)，發(fā)展新型人工智能計算芯片，是國際關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)。利用光波作為載體進(jìn)行信息處理的光計算，因高速度、低功耗等優(yōu)點(diǎn)成為科學(xué)界研究熱點(diǎn)。然而，計算載體從電變?yōu)楣猓€要替代現(xiàn)有電子器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級應(yīng)用，面臨諸多難題。

2021年4月20日，全模擬光電智能計算芯片研究團(tuán)隊(duì)的部分成員在清華大學(xué)合影。新華社發(fā)

為此，清華大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院院長戴瓊海院士、自動化系助理教授吳嘉敏，以及電子工程系副教授方璐、副研究員喬飛，結(jié)合光計算、純模擬電子計算等技術(shù)，突破傳統(tǒng)芯片架構(gòu)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、精度與功耗相互制約的物理瓶頸，提出一種全新的計算框架，有望解決大規(guī)模計算單元集成、光計算與電子信號計算的高效接口等國際性難題。

“我們是在全模擬信號下發(fā)揮光和電的優(yōu)勢，避免了模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換問題，突破了功耗和速度的瓶頸。”方璐表示，除算力優(yōu)勢外，在智能視覺目標(biāo)識別任務(wù)和無人系統(tǒng)（如自動駕駛）場景計算中，ACCEL的系統(tǒng)級能效（單位能量可進(jìn)行的運(yùn)算數(shù)）經(jīng)實(shí)測是現(xiàn)有高性能芯片的400萬余倍，“這一超低功耗的優(yōu)勢將有助于改善限制芯片集成的芯片發(fā)熱問題，有望為未來芯片設(shè)計帶來突破。”

此外，ACCEL光學(xué)部分的加工最小線寬為百納米級。“實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，僅采用百納米級工藝精度，就可取得比先進(jìn)制程芯片大幅提升的性能。”方璐說。

戴瓊海表示，ACCEL未來有望在無人系統(tǒng)、工業(yè)檢測和人工智能大模型等方面實(shí)現(xiàn)應(yīng)用。目前團(tuán)隊(duì)僅研制出特定計算功能的光電融合原理樣片，亟需進(jìn)一步開展具備通用功能的智能視覺計算芯片研發(fā)，以便在實(shí)際中大范圍應(yīng)用。（魏夢佳）