清华大学开发超高速光电计算芯片：“挣脱”摩尔定律，算力提升 3000 倍

IT之家 10 月 30 日消息，据清华新闻网报道，清华大学自动化系戴琼海院士、吴嘉敏助理教授与电子工程系方璐副教授、乔飞副研究员联合攻关，提出了一种“挣脱”摩尔定律的全新计算架构：光电模拟芯片，算力达到目前高性能商用芯片的 3000 余倍。

相关成果以“高速视觉任务中的纯模拟光电芯片”（All-analog photo-electronic chip for high-speed vision tasks）为题，以长文（article）形式发表在《自然》（Nature）期刊上。

报道称，如果用交通工具的运行时间来类比芯片中信息流计算的时间，那么这枚芯片的出现，相当于将京广高铁 8 小时的运行时间缩短到 8 秒钟。

据介绍，在这枚小小的芯片中，清华大学攻关团队创造性地提出了光电深度融合的计算框架。从最本质的物理原理出发，结合了基于电磁波空间传播的光计算，与基于基尔霍夫定律的纯模拟电子计算，“挣脱”传统芯片架构中数据转换速度、精度与功耗相互制约的物理瓶颈，在一枚芯片上突破大规模计算单元集成、高效非线性、高速光电接口三个国际难题。

实测表现下，光电融合芯片的系统级算力较现有的高性能芯片架构提升了数千倍。在研发团队演示的智能视觉任务和交通场景计算中，光电融合芯片的系统级能效（单位能量可进行的运算数）实测达到了 74.8 Peta-OPS / W，是现有高性能芯片的 400 万余倍。形象地说，原本供现有芯片工作一小时的电量，可供它工作 500 多年。

更进一步，该芯片光学部分的加工最小线宽仅采用百纳米级，而电路部分仅采用 180nm CMOS 工艺，已取得比 7 纳米制程的高性能芯片多个数量级的性能提升。与此同时，其所使用的材料简单易得，造价仅为后者的几十分之一。

清华大学戴琼海院士、方璐副教授、乔飞副研究员、吴嘉敏助理教授为该文的共同通讯作者，博士生陈一彤、博士生麦麦提那扎买提、许晗博士为共同第一作者，孟瑶博士、周天贶助理研究员、博士生李广普、范静涛研究员、魏琦副研究员共同参与研究。该课题得到科技部 2030“新一代人工智能”重大项目、国家自然科学基金委基础科学中心项目等的支持。

IT之家附论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06558-8

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