我国研制光计算芯片速度突破1.92TOPS仅260皮秒

刚刚，一则关于光计算芯片的重磅消息从湖北传来。国家信息光电子创新中心、光通信技术和网络全国重点实验室、鹏城实验室联合宣布，成功研发出一个重大成果——多功能可编程的光电融合门阵列系统（P-FPGA），他们将其命名为LightIN。

简单来说，这是一款能够利用光来执行计算的新型芯片。基于该光计算芯片构建的神经网络，在Iris数据集上进行在线推理时，准确率达到了93.33%，而总时延低至260皮秒以下。260皮秒是什么概念？相当于你刚产生一个念头，结果就已经计算完毕。对于AI大模型训练中涉及的海量矩阵运算而言，这意味着数据处理延迟将被压缩到极其惊人的水平。

这套系统由三大核心组件构成：可编程光子芯片、电子控制模块，以及一套名为TCA（测试-编译-调节）的智能配置框架。其硬核之处在于，一块芯片上可同时运行四种功能：光子计算加速、信号处理、网络交换以及安全加密。这好比将CPU、GPU、网卡和加密卡全部集成在一个盒子里，并且能够按需灵活调配。

LightIN的核心是一枚采用SOI工艺制造的硅基集成光子芯片。它采用4×4的方形循环网格拓扑结构，集成了40个可编程单元，器件总数超过160个。为了有效驾驭这块复杂的芯片，研究团队自主研发了TCA框架。该框架的独特优势在于，无需在芯片内额外加装光电探测器来监控状态，即可直接实现芯片功能的高效配置与可靠调节——既节省成本又节省空间。

再细看它的性能数据，更有看点。LightIN实现了4×4双向酉矩阵和3×3非酉矩阵的乘法运算，计算速度飙升至1.92 TOPS以上，计算精度超过6.22比特，而光子核心的能耗仅为1.875 pJ/MAC。在我看来，这才是真正的“又快又准又省电”。

此外，LightIN的用途远不止于此。例如，它可用于微环调制器的自动波长锁定，支持5到32 Gb/s的NRZ调制系统。

实验结果同样扎实可靠。在25℃和35℃两种温度环境下，这套系统都能稳定维持17 dB以上的信噪比和7以上的Q因子。这意味着它在光I/O稳定运行方面已具备实际应用潜力，绝非实验室中的空谈。

在数据中心互联这一关键场景中，LightIN的表现同样令人惊艳。研究团队在其上实现了4×4通道的交换功能，在1560 nm的中心波长处，端口之间的串扰最低可达-45 dB。这一指标对于保障数据中心内部数据传输的纯净与可靠至关重要。

最后，团队还在LightIN上应用了“物理不可克隆”技术。简单来说，就是利用硅基光子芯片制造过程中固有的微小差异，生成独一无二的“芯片指纹”。实测数据显示，芯片内部的汉明距离为1.7%，而芯片之间的汉明距离达到50.15%——几乎完美的随机性，意味着这块芯片天然具备极高的硬件安全等级。