近日，華中科技大學武漢光電國家研究中心張新亮、董建績教授研究團隊成功研發了一種基于波長編碼的異步光學循環加速器。該技術突破了光學計算中的同步控制瓶頸，降低了計算能耗，并提升了計算效率。研究成果發表在學術期刊《eLight》上，題為“Monolithically integrated asynchronous optical recurrent accelerator”。
 

　　隨著人工智能和大規模數據處理需求的急劇增長，傳統電子計算受限于能耗和延遲。光學計算因其高速、低功耗特性成為潛在可替代方案之一，但現有方案依賴于頻繁的光電信號轉換及精確的電學同步控制，尤其在循環網絡計算任務中，增加了系統復雜度和能量損耗。
 

　　基于時間序列的光學循環計算要求光信號嚴格時序對齊，并且多路數據信號周期和光學延遲之間需要保持嚴格一致，如圖1(a)所示。為了解決上述同步難題，研究團隊提出了一種基于波長編碼的異步計算架構。在該架構中，不同時間循環周期的數據被映射到不同的波長通道，并通過片上波長中繼單元(WRU)完成數據傳遞，如圖1(b)所示。相比傳統的時序同步方法，該方案無需精確對齊不同計算單元的數據傳輸時間，從而減少了同步電路的功耗，簡化了系統設計。該架構通過光學計算核心執行波長復用的矩陣運算，并結合光電探測器驅動的微環調制器(即波長中繼單元)完成信號在波長域的轉換，使計算完全在光域中進行。其中，微環調制器采用下一級波長光源作為補充光，結合其傳遞函數的性質，波長中繼單元(WRU)可以實現信號之間的加、減、乘、除、非線性等多種計算功能，如圖1(c-e)所示。
 

　　圖1：(a) 同步光學循環加速器的系統架構示意圖。(b) 異步光學循環加速器的系統架構示意圖，展示了如何利用波長中繼進行數據傳輸。
 

　　(c-d) 波長中繼單元的基本工作原理。
 

　　基于上述異步循環計算架構，研究團隊首先研制了一款光學隱馬爾可夫模型(OHMM)芯片，該芯片利用光學矩陣運算執行概率推理任務。OHMM芯片通過將不同狀態概率編碼到不同波長，并利用光學矩陣運算進行狀態轉移計算，如圖2(a)所示。芯片采用微環諧振器的光譜濾波機制，使不同狀態之間的轉換能夠高效地映射到光學矩陣運算模塊。該芯片成功實現了對DNA序列的隱藏狀態推斷，實驗結果表明其在基因序列分析任務中的準確率可達99%，如圖2(b)所示。在600個堿基對范圍內隱藏狀態的相似性表明了這兩種DNA是同源的。
 

圖2：(a) OHMM 計算流程示意圖，展示光學矩陣計算如何用于隱藏狀態推理。
 

　　(b) 芯片在DNA序列分析中的應用。圖中展示了實驗結果與理論計算的對比。
 

圖3：(a) ORNN 計算流程示意圖，展示波長復用和非線性計算的實現方式。
 

　　(b) 語音分類實驗結果，展示了一對多的訓練策略和八分類混淆矩陣。
 

　　研究團隊還進一步開發了一款單片集成的光學循環神經網絡(ORNN)芯片，顯著提升了光學計算在處理高維時序數據方面的能力。ORNN芯片利用差分驅動的調制器同時實現波長中繼和非線性計算，通過波長復用的方式進行循環計算，如圖3(a)所示。該芯片采用原位訓練方法在多輪訓練過程中優化參數，實現分類任務。在實際測試中，ORNN芯片在日語元音二分類任務中取得了高達97%的訓練準確率和95%的測試準確率，并通過一對多的訓練策略成功擴展至八分類語音識別任務，測試準確率達87.7%，驗證了其在多類別分類中的優越性能，如圖3(b)所示。
 

　　異步光學計算架構在實驗中展現出較低的計算延遲和較高的能效。相較于傳統電子計算方案，該芯片在基因序列分析和語音處理任務中均表現出更低的功耗和更快的計算速度。光學計算核心能夠高效地執行矩陣運算，并避免高頻電子電路帶來的信號失真問題。此外，芯片的緊湊設計(僅10mm2)支持更高密度的光計算單元集成(集成上百個光學器件)，為未來的大規模光學計算提供了可能性。
 

　　研究團隊未來計劃進一步優化芯片架構，提高計算精度，并探索其在更廣泛智能計算場景中的應用，例如自動駕駛、智能感知和邊緣計算設備。隨著光學計算技術的持續發展，該異步架構有望在未來時序記憶光計算硬件中發揮核心作用。
 

　　董建績教授團隊長期從事集成光學與光計算領域研究工作，在光學非線性激活函數、光學深度神經網絡芯片、單片集成光學伊辛機芯片、單片集成光學循環計算加速芯片、光學邏輯可編程邏輯陣列、光計算芯片訓練和推理等方面獲得重要進展，近5年在eLight、Nature Communications、Advanced Photonics、Light Science & Applications、PhotoniX、Optica等光學頂級期刊發表論文13篇。主持國家重點研發計劃、國家杰出青年基金、國家優秀青年基金等項目，獲得全國百篇優秀博士學位論文獎，2次獲得湖北省自然科學一等獎，1次獲得國家(研究生)教學成果二等獎。擔任期刊《Frontier of Optoelectronics》執行主編、全國智能計算標準化委員會委員、中國光學學會纖維光學與集成光學專委會常務委員，作為發起人組織光子學公開課的光電計算專題。