我國(guó)研制出首個(gè)全模擬光電智能計(jì)算芯片，算力提升3000倍

我國(guó)研制出首個(gè)全模擬光電智能計(jì)算芯片，算力提升3000倍

IT之家 11 月 5 日消息，經(jīng)長(zhǎng)期聯(lián)合攻關(guān)，清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)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(jì)算框架，并研制出國(guó)際首個(gè)全模擬光電智能計(jì)算芯片（簡(jiǎn)稱 ACCEL）。經(jīng)實(shí)測(cè)，該芯片在智能視覺(jué)目標(biāo)識(shí)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(kāi)辟全新路徑。

IT之家從清華大學(xué)公眾號(hào)獲悉，團(tuán)隊(duì)用“Allanalog Chip Combining Electronics and Light”來(lái)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(duì)創(chuàng)造性地提出了光電深度融合的計(jì)算架構(gòu) —— 結(jié)合基于電磁波空間傳播的光計(jì)算，與基于基爾霍夫定律的全模擬電子計(jì)算，在一枚芯片上突破了大規(guī)模計(jì)算單元集成、高效非線性、高速光電接口三個(gè)國(guó)際難題。在保證高任務(wù)性能的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了超高的計(jì)算能效和計(jì)算速度。

為了確保實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，攻關(guān)團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大規(guī)模的實(shí)測(cè)和驗(yàn)證。首次將端到端跨層協(xié)同技術(shù)應(yīng)用到智能視覺(jué)交互上，運(yùn)用等效算力，對(duì)能效性能和時(shí)延數(shù)據(jù)進(jìn)行了精準(zhǔn)評(píng)估。

光電計(jì)算芯片 ACCEL 的計(jì)算原理和芯片架構(gòu)

超高性能。實(shí)測(cè)表現(xiàn)下，ACCEL 芯片的系統(tǒng)級(jí)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(shí)間來(lái)類比芯片中信息流計(jì)算，那么這枚芯片的出現(xiàn)，相當(dāng)于將 8 小時(shí)的京廣高鐵縮短到了 8 秒鐘。

超低功耗。系統(tǒng)級(jí)能效為 74.8 PetaOPS / W，較現(xiàn)有的高性能 GPU、TPU 等計(jì)算架構(gòu)，提升了 400 萬(wàn)倍。形象來(lái)說(shuō)，原本供現(xiàn)有芯片工作 1 小時(shí)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(jí)，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(gè)數(shù)量級(jí)的性能提升。同時(shí)所使用的材料簡(jiǎn)單易得，造價(jià)僅為后者的幾十分之一。

相比先進(jìn)電子計(jì)算芯片，新型架構(gòu)實(shí)現(xiàn)算力千倍提升，計(jì)算延遲千倍降低，能效百萬(wàn)倍提升。同時(shí)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(jí)國(guó)際期刊，入選全球高被引論文，授權(quán)國(guó)內(nèi)外發(fā)明專利十余項(xiàng)。

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

光電融合芯片的問(wèn)世并非易事。攻關(guān)團(tuán)隊(duì)先是開(kāi)展理論建模和仿真驗(yàn)證，后不斷優(yōu)化全模擬光電計(jì)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(jì)算，完成了“傳感前 + 傳感中 + 近傳感”的新型計(jì)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(jì)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(jué)任務(wù)實(shí)測(cè)中，芯片的系統(tǒng)級(jí)計(jì)算耗時(shí)僅為現(xiàn)有高性能芯片架構(gòu)的萬(wàn)分之三，高超的計(jì)算速度，只是這枚芯片的優(yōu)勢(shì)之一。在演示的智能視覺(jué)任務(wù)和交通場(chǎng)景計(jì)算中，其高性能、低功耗的特點(diǎn)，可應(yīng)用于大場(chǎng)景多對(duì)象復(fù)雜人工智能視覺(jué)任務(wù)、無(wú)人系統(tǒng)（如自動(dòng)駕駛）、工業(yè)生產(chǎn)線和大模型等高算力低功耗的場(chǎng)景中。

另外，由于 ACCEL 芯片對(duì)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(chǎng)景也極富前景。