清華新聞網(wǎng)1月12日電 光由于天然具備高速、寬帶寬、并行傳播的特性，非常適合用于解決人工智能中大量線(xiàn)性計(jì)算所帶來(lái)的算力問(wèn)題。然而，現(xiàn)有的光學(xué)線(xiàn)性計(jì)算架構(gòu)往往依賴(lài)于復(fù)雜的光束相互作用來(lái)完成向量的乘加運(yùn)算，同時(shí)在電光調(diào)制中依賴(lài)于大量的DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，因此難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)通用計(jì)算芯片中維度擴(kuò)展和任意編程這兩個(gè)需求，通常只能作為專(zhuān)用芯片應(yīng)用于特定任務(wù)來(lái)盡量減少對(duì)光學(xué)計(jì)算單元的編程。
近日，清華大學(xué)電子工程系黃翊東教授團(tuán)隊(duì)馮雪、李永卓課題組在通用線(xiàn)性光計(jì)算的研究中取得進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)提出“光子算盤(pán)”計(jì)算架構(gòu)，該架構(gòu)由獨(dú)立的“光源-探測(cè)器對(duì)”作為基本計(jì)算單元，名為“光子算珠”，通過(guò)將待計(jì)算的數(shù)據(jù)分別編碼在光源和探測(cè)器上來(lái)實(shí)現(xiàn)乘加運(yùn)算，同時(shí)采用獨(dú)創(chuàng)的時(shí)空編碼量化方案進(jìn)行數(shù)?；旌嫌?jì)算，通過(guò)“光子算珠”時(shí)間和空間上的開(kāi)關(guān)狀態(tài)來(lái)編碼待計(jì)算的數(shù)據(jù)而不需要使用DAC進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，與中國(guó)傳統(tǒng)算盤(pán)的運(yùn)算方式頗為相似。因此，“光子算盤(pán)”計(jì)算架構(gòu)完美解決了前述線(xiàn)性光計(jì)算所面臨的兩個(gè)問(wèn)題，通過(guò)復(fù)制、重組、編碼“光子算珠”，“光子算盤(pán)”可以在保持可重構(gòu)、可編程特性的同時(shí)達(dá)到任意的維度擴(kuò)展，同時(shí)大大避免了傳統(tǒng)方案電光調(diào)制中DAC所帶來(lái)的延時(shí)、能耗、面積等代價(jià)?！肮庾铀惚P(pán)”架構(gòu)為光計(jì)算從專(zhuān)用芯片到通用芯片邁出重要一步。
圖1.“光子算盤(pán)”計(jì)算架構(gòu)
圖2.“光子算盤(pán)”實(shí)現(xiàn)多種計(jì)算任務(wù)
實(shí)驗(yàn)上，研究團(tuán)隊(duì)基于64維VCSEL芯片和碲化鉬二維材料探測(cè)器芯片組成64維“光子算盤(pán)”，并在隨機(jī)生成向量?jī)?nèi)積測(cè)試中達(dá)到98%以上的計(jì)算保真度。更進(jìn)一步，利用此“光子算盤(pán)”在MNIST手寫(xiě)數(shù)字識(shí)別任務(wù)中達(dá)到88%分類(lèi)準(zhǔn)確率，并成功求解了1024維隨機(jī)生成伊辛問(wèn)題，這是目前已報(bào)道維度最高的光學(xué)模擬退火伊辛機(jī)。
研究成果以“算盤(pán)——可擴(kuò)展光學(xué)線(xiàn)性向量機(jī)”(SUANPAN: scalable photonic linear vector machine)為題，于1月1日在線(xiàn)發(fā)表于《光：科學(xué)與應(yīng)用》（Light: Science & Applications）。
清華大學(xué)電子工程系2022級(jí)博士生楊梓躍和李晨為論文共同第一作者，電子工程系副教授馮雪、副研究員李永卓和教授黃翊東為論文通訊作者。論文的合作單位包括北京大學(xué)、深圳博升光電科技有限公司和深圳技術(shù)大學(xué)。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41377-025-02059-7
供稿：電子系
編輯：李華山
審核：郭玲
