近日，中國科學院上海光學精密機械研究所空天激光技術與系統部謝鵬研究員團隊在解決“光芯片上高密度信息并行處理”難題上取得突破，研制出超高并行光計算集成芯片-“流星一號”(如圖1所示)，實現了并行度>100的光計算原型驗證系統。相關研究成果以《具備100波長復用能力的并行光計算》(Parallel Optical Computing Capable of 100-Wavelength Multiplexing)為題，以封面論文形式發表于《光：快訊》。
 

圖1.超高并行光計算集成芯片-“流星一號”
 

　　光計算作為非馮?諾伊曼結構代表，具有可擴展、低功耗、超高速、寬帶寬、高并行度的天然優勢，是后摩爾時代破解高維張量運算、復雜圖像處理等大規模數據快速計算的關鍵技術，為人工智能、科學計算、多模態融合感知、超大規模數據交換等“算力密集+能耗敏感”場景提供硬件加速。過往幾年，學術界和產業界持續對光計算芯片的矩陣規模、光學主頻開展深度探索，以臺積電的光計算芯片矩陣規模(~512x512)和美國加州理工學院的光計算光學主頻(>100GHz)為典型代表，分別呈現逼近工藝極限和物理極限的趨勢，進一步取得突破難度頗大。因而，有效擴展計算并行度是光計算性能提升的前沿發展方向，也是光計算邁向實用的必由之路。
 

　　上海光機所研究團隊圍繞光計算技術并行度提升，創新超高并行光計算架構(如圖2所示)，破解光計算芯片的信息高密度信道串擾抑制、低時延光信號高精度同步和跨尺度高密度器件集成等核心挑戰，在融合了多波長光源、高速光交互、可重構光計算、高精度光矩陣驅動和并行光電混合計算算法的基礎上,成功研發了全新片上并行光計算集成芯片系統。該系統核心光芯片全部自主研制，包含了自主研制的集成微腔光頻梳(頻率間隔~50GHz，輸出光譜范圍>80nm，可支撐波長復用計算通道數>200)，作為芯片級多波長光源子系統；自主研制的大帶寬、低時延、可重構光計算芯片(通光帶寬>40nm)，作為高性能并行計算核心；自主研制的高精度、大規模、可擴展的驅動板卡，作為光學矩陣驅動子系統(通道數>256)；基于該光子集成芯片系統，首次驗證了并行度>100的片上光信息交互與計算原型；在50GHz光學主頻下，單芯片理論峰值算力>2560TOPS ，功耗比>3.2TOPS/W。
 

　　此研究進展為突破光計算的計算密度瓶頸，提升光計算性能開辟了新途徑，為發展低功耗、低時延、大算力、高速率的超級光子計算機帶來了可能性。
 

圖2.超高并行光計算架構
 

圖3.“流星一號”超高并行光計算集成芯片 (實物圖)