據(ju)清華新(xin)聞網(wang)報(bao)道，清華大學自動(dong)化(hua)系戴瓊(qiong)海院士、吳嘉(jia)敏助理教授(shou)與電子工程系方璐(lu)副教授(shou)、喬飛副研究員聯合攻關，提出(chu)了一種“掙脫”摩爾定(ding)律(lv)的全新(xin)計算架構：光電模擬芯(xin)片，算力達到目前高性能商用芯(xin)片的3000余倍。

《自動化系和電子系合作開發超高速光電計算芯片》全文如下

1965年，英特爾創始人之一(yi)戈登·摩(mo)(mo)(mo)爾提出(chu)影響芯片行(xing)業半個(ge)多世紀的(de)“摩(mo)(mo)(mo)爾定律”：預言(yan)每隔約兩(liang)年，集成電路(lu)可容(rong)納的(de)晶(jing)體管數目便增加一(yi)倍。半導體領域按摩(mo)(mo)(mo)爾定律繁(fan)榮發展(zhan)了(le)數十年，“芯片”，成為(wei)人類邁入智能(neng)時(shi)代的(de)重要引(yin)擎。然而隨著(zhu)晶(jing)體管尺寸接(jie)近(jin)物理極(ji)限，近(jin)十年內摩(mo)(mo)(mo)爾定律已放緩甚(shen)至面(mian)臨失效。如何構建新(xin)一(yi)代計算(suan)架構，建立人工智能(neng)時(shi)代的(de)芯片“新(xin)”秩序，成為(wei)國際(ji)社(she)會高(gao)度關注(zhu)的(de)前沿熱點。

針對這一(yi)難題(ti)，清華大學自動化系戴瓊海院士、吳嘉(jia)敏助理教授(shou)與電(dian)子工(gong)程(cheng)系方璐副教授(shou)、喬飛副研究員(yuan)聯合(he)攻關，提出(chu)(chu)了一(yi)種“掙脫”摩爾定(ding)律的(de)(de)(de)全新計算架構：光(guang)電(dian)模(mo)擬芯(xin)(xin)(xin)片，算力達到目前(qian)高性(xing)能(neng)商用(yong)芯(xin)(xin)(xin)片的(de)(de)(de)3000余倍。相(xiang)關成果以“高速(su)視(shi)覺任務中的(de)(de)(de)純模(mo)擬光(guang)電(dian)芯(xin)(xin)(xin)片”（All-analog photo-electronic chip for high-speed vision tasks）為(wei)題(ti)，以長文（article）形(xing)式發表在《自然》（Nature）期刊上(shang)。如果用(yong)交(jiao)通(tong)工(gong)具的(de)(de)(de)運行時(shi)(shi)間(jian)來(lai)類(lei)比芯(xin)(xin)(xin)片中信息流(liu)計算的(de)(de)(de)時(shi)(shi)間(jian)，那(nei)么這枚芯(xin)(xin)(xin)片的(de)(de)(de)出(chu)(chu)現，相(xiang)當于將京廣高鐵8小(xiao)時(shi)(shi)的(de)(de)(de)運行時(shi)(shi)間(jian)縮短到8秒(miao)鐘。

2023年(nian)諾貝爾(er)物理學獎授予了(le)阿秒激(ji)光(guang)技術。作為(wei)人(ren)類(lei)已知的(de)(de)(de)宇宙中最快速(su)度之一(yi)，許(xu)多(duo)超高(gao)速(su)物理領域都少不了(le)光(guang)的(de)(de)(de)身(shen)影(ying)。然而科學家們用光(guang)來做計(ji)(ji)算(suan)(suan)，并(bing)不是一(yi)件容易的(de)(de)(de)事。當計(ji)(ji)算(suan)(suan)載體從電(dian)變為(wei)光(guang)，就需要利用光(guang)傳播中攜帶的(de)(de)(de)信(xin)息(xi)(xi)進行計(ji)(ji)算(suan)(suan)。數年(nian)來海內外知名(ming)團隊相繼提出多(duo)種設計(ji)(ji)，但要替代現有電(dian)子(zi)(zi)器(qi)件實現系(xi)統級應用，仍面臨許(xu)多(duo)國際難題(ti)：一(yi)是如何(he)在一(yi)枚(mei)芯片上集成大規模的(de)(de)(de)計(ji)(ji)算(suan)(suan)單元，并(bing)且約(yue)束誤(wu)差累計(ji)(ji)程度；二是如何(he)實現高(gao)速(su)高(gao)效的(de)(de)(de)片上非(fei)線性；三是為(wei)兼容目(mu)前以(yi)電(dian)子(zi)(zi)信(xin)號(hao)為(wei)主(zhu)體的(de)(de)(de)信(xin)息(xi)(xi)社會，如何(he)提供光(guang)計(ji)(ji)算(suan)(suan)與電(dian)子(zi)(zi)信(xin)號(hao)計(ji)(ji)算(suan)(suan)的(de)(de)(de)高(gao)效接口。如果不能解(jie)決這幾個問(wen)題(ti)，光(guang)計(ji)(ji)算(suan)(suan)就難以(yi)真正替代當前的(de)(de)(de)電(dian)子(zi)(zi)芯片，在信(xin)息(xi)(xi)社會大展身(shen)手。

在(zai)這(zhe)枚小小的芯(xin)片(pian)(pian)中(zhong)，清華大學攻(gong)關團隊創造(zao)性地提出了光(guang)電(dian)(dian)深度(du)融合(he)的計算框(kuang)架。從最本質的物理原理出發，結合(he)了基(ji)于電(dian)(dian)磁波空間傳播的光(guang)計算，與(yu)基(ji)于基(ji)爾霍夫定律的純模(mo)擬電(dian)(dian)子計算，“掙(zheng)脫”傳統芯(xin)片(pian)(pian)架構中(zhong)數據轉換(huan)速(su)度(du)、精度(du)與(yu)功耗相互制約的物理瓶頸，在(zai)一枚芯(xin)片(pian)(pian)上突(tu)破(po)大規模(mo)計算單元集(ji)成、高(gao)效非線性、高(gao)速(su)光(guang)電(dian)(dian)接口三個(ge)國際難題。

光電芯片

實(shi)測(ce)表(biao)現下(xia)，光電(dian)融合芯片的(de)(de)系統(tong)級算(suan)力較現有的(de)(de)高性(xing)能芯片架構提升了(le)數千倍。然而(er)，如此驚(jing)人的(de)(de)算(suan)力，還只是這枚芯片諸多優勢的(de)(de)其中(zhong)之一。

在研發(fa)團隊演示(shi)的(de)智(zhi)能(neng)視覺(jue)任務(wu)和交通場(chang)景計算(suan)中，光電融合芯(xin)片的(de)系統級能(neng)效（單位能(neng)量可(ke)進行的(de)運算(suan)數）實測達到了(le)74.8 Peta-OPS/W，是現(xian)有高性能(neng)芯(xin)片的(de)400萬余倍。形象地說，原(yuan)本供現(xian)有芯(xin)片工作(zuo)一小時的(de)電量，可(ke)供它(ta)工作(zuo)500多年。

目前限制芯(xin)(xin)片(pian)集成(cheng)極限的一個關鍵因素，就是過高密度帶來的散熱難題(ti)。而在超低功耗下運行的光(guang)電融合(he)芯(xin)(xin)片(pian)將(jiang)有(you)助(zhu)于(yu)大幅度改善芯(xin)(xin)片(pian)發熱問(wen)題(ti)，為芯(xin)(xin)片(pian)的未來設(she)計(ji)帶來全方位(wei)突破(po)。

更進一步，該芯片(pian)光學部分(fen)的加工最小線寬(kuan)僅(jin)(jin)采用(yong)百納米級，而電路部分(fen)僅(jin)(jin)采用(yong)180nm CMOS工藝，已取得(de)比7納米制程(cheng)的高性(xing)能芯片(pian)多(duo)個數量級的性(xing)能提(ti)升。與(yu)此同時，其(qi)所使(shi)用(yong)的材料簡單易得(de)，造價(jia)僅(jin)(jin)為后者的幾十分(fen)之一。

科幻(huan)電(dian)影《流浪地球(qiu)》中(zhong)(zhong)，人工智(zhi)能(neng)系(xi)統Moss僅(jin)幾秒鐘便可(ke)遍歷所有拯救地球(qiu)的(de)(de)(de)方案。在清華大學團(tuan)隊提出的(de)(de)(de)超高(gao)(gao)性能(neng)光(guang)(guang)電(dian)芯片下，“未(wei)來(lai)計(ji)算(suan)機”的(de)(de)(de)誕生(sheng)似乎已不再遙遠。光(guang)(guang)電(dian)融(rong)合的(de)(de)(de)新型架(jia)構，不僅(jin)開辟出這項未(wei)來(lai)技術(shu)(shu)通(tong)往(wang)日常(chang)生(sheng)活(huo)的(de)(de)(de)一(yi)條(tiao)新路徑，還對量子(zi)計(ji)算(suan)、存內(nei)計(ji)算(suan)等(deng)其他未(wei)來(lai)高(gao)(gao)效能(neng)技術(shu)(shu)與當前電(dian)子(zi)信息系(xi)統的(de)(de)(de)融(rong)合深有啟發(fa)。論文通(tong)訊作者之一(yi)戴瓊海院士介紹道：“開發(fa)出人工智(zhi)能(neng)時代的(de)(de)(de)全(quan)新計(ji)算(suan)架(jia)構是(shi)一(yi)座(zuo)高(gao)(gao)峰，而將新架(jia)構真(zhen)正落地到現實生(sheng)活(huo)，解決國計(ji)民(min)生(sheng)的(de)(de)(de)重(zhong)大需求(qiu)，是(shi)更(geng)重(zhong)要的(de)(de)(de)攻(gong)關，也是(shi)我們的(de)(de)(de)責任。”《自然》期刊特邀發(fa)表(biao)的(de)(de)(de)該研(yan)究專題評(ping)述也指出，“或許這枚芯片的(de)(de)(de)出現，會讓新一(yi)代計(ji)算(suan)架(jia)構，比預想中(zhong)(zhong)早得多(duo)地進(jin)入日常(chang)生(sheng)活(huo)。”

清(qing)華大(da)學(xue)戴(dai)瓊海院士(shi)(shi)、方璐副(fu)教授(shou)(shou)、喬飛(fei)副(fu)研究(jiu)員(yuan)、吳嘉敏助理教授(shou)(shou)為本文的(de)(de)共(gong)同(tong)通(tong)訊作(zuo)(zuo)者，博(bo)(bo)士(shi)(shi)生(sheng)陳一(yi)彤、博(bo)(bo)士(shi)(shi)生(sheng)麥麥提·那扎買提、許(xu)晗博(bo)(bo)士(shi)(shi)為共(gong)同(tong)第一(yi)作(zuo)(zuo)者，孟瑤(yao)博(bo)(bo)士(shi)(shi)、周天貺助理研究(jiu)員(yuan)、博(bo)(bo)士(shi)(shi)生(sheng)李廣普、范靜(jing)濤研究(jiu)員(yuan)、魏(wei)琦副(fu)研究(jiu)員(yuan)共(gong)同(tong)參與(yu)研究(jiu)。該課題得到科技部2030“新(xin)一(yi)代人工智(zhi)能”重大(da)項目(mu)、國家(jia)自然科學(xue)基金(jin)委(wei)基礎科學(xue)中心(xin)項目(mu)等的(de)(de)支持。