【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，武漢光電國家研究中心張新亮教授、董建績(jī)教授團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)一種高效光子卷積器，該技術(shù)通過模式復(fù)用扇入解決了片上光信號(hào)合并時(shí)的損耗問題。相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然·通訊》(Nature Communications)上，題為“無損模式復(fù)用扇入式高效光子卷積器(Highly Efficient Photonic Convolver via Lossless Mode-Division Fan-In)”。
在光子集成芯片中，扇入(Fan-in)是指將多路計(jì)算結(jié)果匯聚相加，是光學(xué)計(jì)算中常見操作之一。傳統(tǒng)的單模扇入(single-mode fan-in，SFI)可類比為把多條車道強(qiáng)行并入一條單車道：所有通路的光信號(hào)必須擠進(jìn)單模波導(dǎo)，光學(xué)互易機(jī)制導(dǎo)致模式不匹配與耦合損耗，造成顯著信號(hào)衰減，從而限制系統(tǒng)級(jí)聯(lián)規(guī)模(圖1a)。
為解決這一問題，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種無損的多模模式扇入(Multi-mode fan-in，MFI)解決方案，核心思想是在同一波導(dǎo)內(nèi)利用若干相互正交的空間模式，為每一路輸入分配“專屬車道”，即不同的正交模式，從而實(shí)現(xiàn)無損合并。形象地說，這相當(dāng)于在微尺度上修建了一座“光子立交橋”：不同信號(hào)在各自模式通道中并行傳輸，避免了傳統(tǒng)單模合并時(shí)的能量衰減。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：傳統(tǒng)單模扇入損耗約為3.53 dB，而多模扇入在三模式情況下的平均損耗均低于0.4 dB，接近無損合并水平。
圖為基于無損模式扇入的光子卷積加速器原理。a)單模扇入(SFI)與多模扇入(MFI)的原理及其散射矩陣；b)光子卷積加速器整體設(shè)計(jì)，MKM代表多模核調(diào)制器，MWR代表多模波導(dǎo)路由。
在解決模式扇入損耗問題后，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了一顆高度集成的光子卷積加速器芯片，完成了從物理概念到功能器件的驗(yàn)證。不同于傳統(tǒng)依賴時(shí)間-波長交織或波長-空間交織方案，該工作首次提出并實(shí)現(xiàn)了模式-空間交織的卷積架構(gòu)，將空間模式作為獨(dú)立計(jì)算維度，實(shí)現(xiàn)了可兼容并行波長維度的卷積操作。首先，輸入向量并行加載到M=3個(gè)正交空間模式，經(jīng)多模3-dB耦合器分路后，信號(hào)扇出為4路，進(jìn)入N=4個(gè)多模核調(diào)制器(multimode kernel modulator, MKM)進(jìn)行權(quán)重加載，即卷積核加載；隨后通過多模波導(dǎo)路由(multimode waveguide routing, MWR)完成卷積滑窗操作，同一波導(dǎo)不同模式的求和由多模光電探測(cè)端口完成(即多模扇入)，避免了單模耦合損耗。
該結(jié)構(gòu)可并行處理K個(gè)波長，單周期完成K×M×N次乘加(MAC)運(yùn)算；滑窗操作通過光路自然傳播實(shí)現(xiàn)，幾乎不消耗額外功率。通過逆向設(shè)計(jì)，所有功能集成于面積僅約0.42 mm²(不足米粒大小)的芯片上，計(jì)算精度約6-7位。在MNIST手寫數(shù)字識(shí)別任務(wù)中，該器件光域準(zhǔn)確率達(dá)95.2%，僅比電域低0.6%，理論計(jì)算密度可達(dá)125.14 TOPS/mm²(每秒萬億次操作/平方毫米)。相比傳統(tǒng)方案，該模式-空間卷積顯著提升了吞吐率和能效，為片上大規(guī)模光子卷積及高密度光子互連提供了可擴(kuò)展路徑。
該研究提出的無損多模扇入方案，突破了片上光計(jì)算的信號(hào)合并損耗瓶頸，使卷積等核心算子在模式維度實(shí)現(xiàn)了高效、近乎無損的累加。結(jié)合模式-空間卷積架構(gòu)，系統(tǒng)在同一芯片內(nèi)完成空間滑窗，且兼容波分復(fù)用并行運(yùn)算，顯著提升了計(jì)算密度和能效比，為下一代低功耗、高吞吐率的人工智能(AI)硬件開辟了全新路徑。
研究得到國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助，博士研究生孫尚森與張世紀(jì)為論文共同第一作者，董建績(jī)?yōu)橥ㄓ嵶髡摺?/div>
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