清华AI光芯片“太极”突破算力瓶颈

清华AI光芯片“太极”突破算力瓶颈

近日，清华大学电子工程系方璐课题组与信息科学技术学院院长戴琼海院士课题组联合研发的AI光芯片“太极”在《科学》期刊发表，引发广泛关注。这款芯片采用创新的干涉-衍射分布式广度光计算架构，实现了每秒每焦耳160万亿次运算的通用智能计算，能效超越现有商用AI芯片3个数量级。这一突破不仅展示了中国在芯片技术领域的创新能力，也为全球芯片产业的发展注入了新的动力。

随着摩尔定律逐渐逼近物理极限，传统电子芯片在提升计算速度和降低功耗方面面临难以解决的瓶颈。清华大学团队研发的“太极”光芯片，正是为了解决这一难题而诞生的创新技术。

“太极”光芯片首创干涉-衍射分布式广度光计算架构，摒弃了传统电子深度计算范式，构建了智能光计算的通用传播模型。这种架构通过将复杂智能任务化繁为简，拆分为多通道高并行的子任务，构建分布式“大感受野”浅层光网络对子任务分而治之，突破了物理模拟器件多层深度级联的固有计算误差。

受“易有太极，是生两仪”的中国传统哲学理念启发，研究团队以光的干涉和衍射表征“两仪”，建立干涉-衍射片上联合传播模型。通过融合干涉的灵活可重构特性和衍射的大规模高并行特性，以辩证统一的理念实现干涉-衍射智能光计算。这种统一使得太极光芯片不仅具有可重构通用计算能力，也具备高通量并行计算能力，实现一加一大于二的效果。

在人工智能和大数据处理领域，“太极”光芯片展现出巨大的应用潜力。当前，AI大模型对算力的需求日益增长，而传统电子芯片的性能提升速度却难以匹配这种需求。“太极”光芯片的出现，为解决这一矛盾提供了新的方案。

“太极”光芯片可实现自然场景千类对象识别、跨模态内容生成等人工智能复杂任务。其高能效优势在端侧应用中尤为突出，能够大幅提升人工智能大模型的训练效率，还能有效解决传统电子芯片面临的能耗和算力瓶颈问题。在自动驾驶等超高速视觉计算任务中，该芯片能够有效应对低光环境下的挑战，提供更准确的感知和决策支持。

光芯片看起来是很不错的技术路径，但到底多久才能落地？

经纬创投认为，光芯片商业化有两大路径：第一种思路是短期内不寻求完全替代电，不改动基础架构，最大化地强调通用性，形成光电混合的新型算力网络；另一种思路是把光芯片模块化，不仅仅追求在计算领域的应用，还追求在片上、片间的传输领域应用，追求光模块的“即插即用”。

硅光芯片不是靠尖端制程来获胜，更多是靠速度和功耗，比如光的调制解调的速度、功耗，还有多波复用，在一个波导里面同时能通过多少路光等。

可以理解为，光芯片最大的优势在于技术通用性。这也不难理解，因为无论是生产商还是客户，最大的诉求之一就是要确保通用性。产品实现“开箱即用”才能够最大限度降低学习成本，不需要对现在的底层框架进行过多修改，就能够适配到成千上万个应用场景中。所以不动基础架构，而是把线性计算的计算核部分用光来部分替代，形成光电混合的算力网络新形式，是最快的商业化路径。

在研发初期，团队沿用了电子计算的深度学习架构以构建大规模智能光计算，然而，推进了半年就遇到了瓶颈：随着层数的增加，计算规模与计算精度存在不可调和的矛盾。

“过去，我们构建网络结构大多是沿用电计算架构，却发现光的优势和潜力无法在电的架构中发挥出来，如同笼中困兽。通过理论建模和分析发现，是电的架构‘囚禁’了光的能力，也就是说现有的深度神经网络的架构并不适合智能光计算。”方璐在接受《中国科学报》采访时说。

为了挣脱瓶颈，研究团队决定走出固有电架构思维的舒适区，寻求新的架构突破。他们将目光投向了上世纪80、90年代甚至更早期有关机器学习、神经网络的经典研究成果。在这些可能被遗忘的想法和经典智慧中，通过重新审视和借鉴，他们找到了突破当前困境的关键：回到最古朴的思路——做宽、做浅。

在方璐看来，回顾经典也是回归科研的初心，放下对潮流的盲从。这种追求初心的态度使得研究团队能够不受时代局限，不受潮流影响，始终保持对科学问题本质的关注和热情，从而发现新的思路、提出新的理论。

“太极”光芯片的诞生是交叉学科合作的结晶，脑科学研究也为“太极”光芯片的架构研发提供了重要思路。有脑科学的研究提出“浅脑理论”，即大脑以浅层扁平架构形成大规模的并行计算单元。从感知到运动，甚至意识，各脑区都在这个浅层网络中发挥着重要作用。“脑科学的系列成果带给我们的研究很多启发。”方璐补充道。

在全球芯片技术竞争日益激烈的背景下，清华大学戴琼海团队的突破具有重要的战略意义。当前，国际上多家机构和企业都在积极研发新型计算架构，以应对后摩尔时代的挑战。例如，美国AI芯片公司Lightmatter推出了通用光子AI加速器方案“Envise”，曦智科技也推出了光子计算处理器“PACE”。

然而，“太极”光芯片在算力和能效方面达到了国际领先水平。这一突破不仅提升了中国在芯片技术领域的国际竞争力，也为全球芯片产业的发展提供了新的思路和方向。

“太极”光芯片的创新成果，为芯片产业的发展开辟了新的路径。存算一体芯片和光电智能计算芯片的出现，预示着未来芯片技术将朝着更高速、更低功耗、更智能化的方向发展。这些新技术不仅有望在AI、大数据、自动驾驶等领域发挥重要作用，还可能催生出全新的应用场景和商业模式。

随着研究的深入和技术的成熟，这些创新芯片有望逐步实现商业化应用，为全球科技产业带来深远影响。中国在这一领域的突破，不仅展示了其科技创新实力，也为全球芯片产业的未来发展注入了新的动力和希望。