清华大学获芯片领域重要突破！研制全球首款大规模光芯片，成果登Science

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文章摘要

AI的进步和发展正面临着对计算芯片性能和能效的双重挑战。特别是在追求通用人工智能（AGI）的过程中，对计算设备的要求更是严苛。OpenAI的首席执行官Sam Altman指出，目前依赖英伟达H100和A100 GPU的数据中心效率低下，且AI的电力消耗超出预期，迫切需要更节能的解决方案。

光子计算作为一种新兴技术，以其在数据处理速度和能效上的显著优势，被视为可能改变计算领域未来的关键技术。光子计算使用光信号代替传统的电信号来执行计算任务，这不仅能够在极短时间内处理大量数据，还能实现高度并行处理，且能耗远低于传统电子计算，尤其在高数据流量操作中表现突出。

然而，光学集成电路在应用于复杂AI任务时面临挑战，光子神经网络（ONN）的应用局限性尚未克服。ONN将光学技术与神经网络算法结合，利用光的物理特性执行计算任务，虽然在速度、能效和处理能力方面展示了独特优势，但目前主要限于执行基本计算任务，如简单形状的图像识别。

为了推动光子神经网络的发展，清华大学的研究团队设计了一款名为Taichi的大规模光子芯片，成功在该芯片上实现了一个拥有1396万神经元的光子神经网络，这一成果在《Science》杂志上发表。Taichi芯片的成功展示了光子计算技术在微型化和集成度上的进步，对于解决复杂计算问题和大数据分析具有重要价值。

研究团队采用了分布式衍射干涉混合光子计算架构，有效地提高了网络的神经元数量，实现了每瓦160万亿次运算的能效。Taichi芯片的每个集群都专注于特定的子任务，优化资源和处理策略，最终合成结果以完成高级任务。这种分布式处理方式提高了计算效率和速度，允许多任务并行处理。

在性能检验方面，Taichi芯片在Omniglot数据集上进行了测试，成功实现了1000类级别的分类，准确率高达91.89%，显示出在处理复杂分类任务时的高效率和准确性。此外，Taichi在AI生成内容方面也显示出了卓越的性能，效率提高了两个数量级。

本次研究不仅推动了光子计算技术的发展，也为解决传统计算技术在处理大规模、高复杂性任务时的瓶颈提供了新的方案。这种新型计算架构可能促进相关光子设备和技术的创新，推动整个行业向更高效、更经济的方向发展。同时，它为光子计算在实际应用中的商业化和规模化开辟了道路，尤其是在AI领域。

尽管光子芯片仍面临制造和集成等挑战，但作为一种高效的计算方式，光子计算为满足通用人工智能对性能和效率的日益增长的需求提供了一种可能的解决方案。随着技术的成熟和成本的降低，光子计算有望在未来成为推动计算领域革命的关键力量。