在近期，清華大學自動化系戴瓊海院士、吳嘉敏助理教授與電子工程系方璐副教授、喬飛副研究員共同研發(fā)出一種具有超高速光電模擬功能的芯片。該芯片的算力達到了當前高性能商用芯片的3000余倍。相關研究成果已在《自然》雜志以“高速視覺任務中的純模擬光電芯片”為題發(fā)表。如果將芯片中信息流計算的時間與交通工具的運行時間進行類比，那么這枚芯片的出現(xiàn)可以將京廣高鐵8小時的運行時間縮短至8秒鐘。

這種新型計算架構打破了摩爾定律的限制。自1965年英特爾創(chuàng)始人戈登·摩爾提出影響芯片行業(yè)半個多世紀的“摩爾定律”以來，半導體領域一直遵循這一定律發(fā)展。然而，隨著晶體管尺寸接近物理極限，摩爾定律在過去十年已經(jīng)放緩甚至面臨失效。如何構建新一代計算架構，建立人工智能時代的芯片新秩序，已成為國際社會關注的前沿熱點。

光計算是一種利用光傳播中攜帶的信息進行計算的方法，其速度被認為是人類已知宇宙中最快的之一。然而，將光用于計算并非易事。在過去的幾年里，海內(nèi)外知名團隊提出了多種設計，但要替代現(xiàn)有電子器件實現(xiàn)系統(tǒng)級應用，仍面臨許多國際難題：一是如何在一枚芯片上集成大規(guī)模的計算單元，并約束誤差累計程度；二是如何實現(xiàn)高速高效的片上非線性；三是為兼容目前以電子信號為主體的信息社會，如何提供光計算與電子信號計算的高效接口。

清華大學攻關團隊在這枚小小的芯片中創(chuàng)造性地提出了光電深度融合的計算框架。他們結合了基于電磁波空間傳播的光計算和基于基爾霍夫定律的純模擬電子計算，突破了傳統(tǒng)芯片架構中數(shù)據(jù)轉換速度、精度與功耗相互制約的物理瓶頸。在一枚芯片上實現(xiàn)了大規(guī)模計算單元集成、高效非線性和高速光電接口等三個國際難題的突破。實測結果表明，光電融合芯片的系統(tǒng)級算力較現(xiàn)有的高性能芯片架構提升了數(shù)千倍。

此外，該芯片還具有其他諸多優(yōu)勢。在研發(fā)團隊演示的智能視覺任務和交通場景計算中，光電融合芯片的系統(tǒng)級能效實測達到了74.8 Peta-OPS/W，是現(xiàn)有高性能芯片的400萬余倍。換句話說，原本供現(xiàn)有芯片工作一小時的電量，可供它工作500多年。由于超低功耗下運行的光電融合芯片有助于大幅改善芯片發(fā)熱問題，為芯片的未來設計帶來全方位突破。值得注意的是，該芯片光學部分的加工最小線寬僅采用百納米級，而電路部分僅采用180nm CMOS工藝，已取得比7納米制程的高性能芯片多個數(shù)量級的性能提升。與此同時，其所使用的材料簡單易得，造價僅為后者的幾十分之一。

在科幻電影《流浪地球》中，人工智能系統(tǒng)Moss僅幾秒鐘便可遍歷所有拯救地球的方案。在清華大學團隊提出的超高性能光電芯片下，“未來計算機”的誕生似乎已不再遙遠。光電融合的新型架構不僅開辟出這項未來技術通往日常生活的一條新路徑，還對量子計算、存內(nèi)計算等其他未來高效能技術與當前電子信息系統(tǒng)的融合深有啟發(fā)。據(jù)論文通訊作者之一戴瓊海院士介紹：“開發(fā)出人工智能時代的全新計算架構是一座高峰，而將新架構真正落地到現(xiàn)實生活，解決國計民生的重大需求，是更重要的攻關，也是我們的責任。”《自然》期刊特邀發(fā)表的該研究專題評述也指出：“或許這枚芯片的出現(xiàn)會讓新一代計算架構比預想中早得多地進入日常生活。”