我國研制出首個全模擬光電智能計算芯片，算力提升3000倍

IT之家 11 月 5 日消息，經(jīng)長期聯(lián)合攻關(guān)，清華大學(xué)研究團(tuán)隊突破傳統(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。

IT之家從清華大學(xué)公眾號獲悉，團(tuán)隊用“All-analog Chip Combining Electronics and Light”來描述這款光電融合芯片的特征，并用這句英文的首字母命名芯片為“ACCEL”，恰好是“加速”的含義。

這枚小小的芯片中，攻關(guān)團(tuán)隊創(chuàng)造性地提出了光電深度融合的計算架構(gòu) —— 結(jié)合基于電磁波空間傳播的光計算，與基于基爾霍夫定律的全模擬電子計算，在一枚芯片上突破了大規(guī)模計算單元集成、高效非線性、高速光電接口三個國際難題。在保證高任務(wù)性能的同時，實現(xiàn)了超高的計算能效和計算速度。

為了確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性，攻關(guān)團(tuán)隊進(jìn)行了大規(guī)模的實測和驗證。首次將端到端跨層協(xié)同技術(shù)應(yīng)用到智能視覺交互上，運用等效算力，對能效性能和時延數(shù)據(jù)進(jìn)行了精準(zhǔn)評估。

光電計算芯片 ACCEL 的計算原理和芯片架構(gòu)

超高性能。實測表現(xiàn)下，ACCEL 芯片的系統(tǒng)級算力達(dá)到現(xiàn)有高性能芯片的 3000 倍。如果用交通工具的時間來類比芯片中信息流計算，那么這枚芯片的出現(xiàn)，相當(dāng)于將 8 小時的京廣高鐵縮短到了 8 秒鐘。

超低功耗。系統(tǒng)級能效為 74.8 Peta-OPS / W，較現(xiàn)有的高性能 GPU、TPU 等計算架構(gòu)，提升了 400 萬倍。形象來說，原本供現(xiàn)有芯片工作 1 小時的電量，可供它工作 500 多年。

超低成本。光電融合芯片的光學(xué)部分的加工最小線寬僅采用百納米級，電路部分僅采用 180nm CMOS 工藝，已取得比 7nm 制程的高性能芯片多個數(shù)量級的性能提升。同時所使用的材料簡單易得，造價僅為后者的幾十分之一。

相比先進(jìn)電子計算芯片，新型架構(gòu)實現(xiàn)算力千倍提升，計算延遲千倍降低，能效百萬倍提升。同時相比現(xiàn)有訓(xùn)練方法，將光學(xué)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練規(guī)模提升十倍，訓(xùn)練速度提升百倍。

相關(guān)成果發(fā)表于《自然》《自然光子學(xué)》《自然通訊》《科學(xué)進(jìn)展》等頂級國際期刊，入選全球高被引論文，授權(quán)國內(nèi)外發(fā)明專利十余項。

團(tuán)隊研究的光電智能計算架構(gòu)和芯片為探索后摩爾時代高算力低功耗智能計算范式提供了重要支撐。

光電融合芯片的問世并非易事。攻關(guān)團(tuán)隊先是開展理論建模和仿真驗證，后不斷優(yōu)化全模擬光電計算架構(gòu)和制造工藝，利用光電流進(jìn)行基于基爾霍夫定律的全模擬電子計算，完成了“傳感前 + 傳感中 + 近傳感”的新型計算系統(tǒng)。

基本可以理解為，該研究擺脫了傳統(tǒng)光子芯片不能普遍應(yīng)用的最大阻力、晶體管的密度限制，將計算速度提升到了前所未有的水平。

這也是 ACCEL 芯片打破摩爾定律束縛的地方。

ACCEL 芯片利用現(xiàn)有成熟的工藝制造生產(chǎn)，目前已完成了原理樣片，正在研制工業(yè)樣片。

高速視覺任務(wù)實測中，芯片的系統(tǒng)級計算耗時僅為現(xiàn)有高性能芯片架構(gòu)的萬分之三，高超的計算速度，只是這枚芯片的優(yōu)勢之一。在演示的智能視覺任務(wù)和交通場景計算中，其高性能、低功耗的特點，可應(yīng)用于大場景多對象復(fù)雜人工智能視覺任務(wù)、無人系統(tǒng)（如自動駕駛）、工業(yè)生產(chǎn)線和大模型等高算力低功耗的場景中。

另外，由于 ACCEL 芯片對于邊緣端的穿戴式設(shè)備這種電池供電、能量資源非常受限的場景也極富前景。