超高速光電計(jì)算芯片“掙脫”摩爾定律
光電模擬芯片。清華大學(xué)供圖
本報(bào)訊（記者陳彬）隨著晶體管尺寸接近物理極限，近10年內(nèi)摩爾定律已經(jīng)放緩甚至面臨失效，構(gòu)建新一代計(jì)算架構(gòu)成為高度關(guān)注的前沿?zé)狳c(diǎn)。對此，中國工程院院士、清華大學(xué)自動化系教授戴瓊海等人組成攻關(guān)團(tuán)隊(duì)，提出一種“掙脫”摩爾定律的全新計(jì)算架構(gòu)——光電模擬芯片，其算力達(dá)到目前高性能商用芯片的3000余倍。相關(guān)成果近日發(fā)表于《自然》。
如果用交通工具的運(yùn)行時間來類比芯片中信息流計(jì)算的時間，那么光電模擬芯片相當(dāng)于將京廣高鐵8小時的運(yùn)行時間縮短到8秒鐘。
光速是人類已知的宇宙中最快速度之一，然而用光做計(jì)算并非易事。當(dāng)計(jì)算載體從電變?yōu)楣鈺r，就需要利用光傳播中攜帶的信息進(jìn)行計(jì)算。
多年來，國內(nèi)外團(tuán)隊(duì)相繼提出多種設(shè)計(jì)，但要替代現(xiàn)有電子器件實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級應(yīng)用，仍面臨許多難題。一是如何在一枚芯片上集成大規(guī)模的計(jì)算單元，并且約束誤差累計(jì)程度；二是如何實(shí)現(xiàn)高速高效的片上非線性；三是如何提供光計(jì)算與電子信號計(jì)算的高效接口，兼容目前以電子信號為主體的信息社會。
對此，清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)提出光電深度融合的計(jì)算框架。從最本質(zhì)的物理原理出發(fā)，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純模擬電子計(jì)算，“掙脫”傳統(tǒng)芯片架構(gòu)中數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度、精度與功耗相互制約的物理瓶頸，在一枚芯片上破解大規(guī)模計(jì)算單元集成、高效非線性、高速光電接口3個世界級難題。
實(shí)測表現(xiàn)下，光電融合芯片的系統(tǒng)級算力較現(xiàn)有高性能芯片架構(gòu)提升了數(shù)千倍。此外，在團(tuán)隊(duì)演示的智能視覺任務(wù)和交通場景計(jì)算中，光電融合芯片的系統(tǒng)級能效是現(xiàn)有高性能芯片的400余萬倍。也就是說，原本供現(xiàn)有芯片工作一小時的電量，可供光電融合芯片工作500多年。
目前限制芯片集成極限的一個關(guān)鍵因素是過高密度帶來的散熱難題。而在超低功耗下運(yùn)行的光電融合芯片將有助于大幅改善芯片發(fā)熱問題，為芯片的未來設(shè)計(jì)帶來全方位突破。
不僅如此，該芯片光學(xué)部分的加工最小線寬僅采用百納米級，而電路部分僅采用180納米CMOS工藝，比7納米制程的高性能芯片性能提升多個數(shù)量級。與此同時，光電融合芯片所使用的材料簡單易得，造價僅為高性能芯片的幾十分之一。
戴瓊海表示，開發(fā)人工智能時代的全新計(jì)算架構(gòu)是一座高峰，而讓新架構(gòu)真正在現(xiàn)實(shí)生活中落地、滿足國計(jì)民生重大需求則是更重要的攻關(guān)?！蹲匀弧房l(fā)的專題評述指出，這枚芯片的出現(xiàn)，或許會讓新一代計(jì)算架構(gòu)比預(yù)想中更早進(jìn)入日常生活。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41586-023-06558-8
《中國科學(xué)報(bào)》 (2023-11-02 第1版 要聞)