2024/4/13 8:21:00
随着各类大模型和深度神经网络涌现，如何制造出满足人工智能发展、兼具大算力和高能效的下一代AI芯片已成为国际前沿热点。
据微信公众号“清华大学”12日消息，清华大学电子工程系方璐副教授课题组、自动化系戴琼海院士课题组摒弃传统电子深度计算范式，另辟蹊径首创分布式广度智能光计算架构，研制全球首款大规模干涉衍射异构集成芯片太极（Taichi），实现160 TOPS/W的通用智能计算。
该研究成果于北京时间4月12日凌晨以《大规模光芯片“太极”赋能160 TOPS/W通用人工智能》为题发表在最新一期的《科学》（Science）上。
方璐、戴琼海为论文的通讯作者，电子工程系博士生徐智昊、博士后周天贶（清华大学水木学者）为论文第一作者。
“挣脱”算力瓶颈的中国光计算睿智尝试
作为人工智能的三驾马车之一，算力是训练AI模型、推理任务的关键。倘若把大模型当作是做一道精致的菜肴，算力就好比一套称手的烹饪工具。
世人皆知巧妇难为无米之炊，但再好的厨子，没有一口好锅、一把好刀，面对鲜美的食材也只能望而兴叹。
光计算，顾名思义是将计算载体从电变为光，利用光在芯片中的传播进行计算，以其超高的并行度和速度，被认为是未来颠覆性计算架构的最有力竞争方案之一。
光芯片具备高速高并行计算优势，被寄予希望用来支撑大模型等先进人工智能应用。
智能光计算作为新兴计算模态，在后摩尔时代展现出有望超越硅基电子计算的潜力。然而其计算任务局限于简单的字符分类、基本的图像处理等。其痛点是光的计算优势被困在了不适合的电架构中，计算规模受限，无法支撑亟需高算力与高能效的复杂大模型智能计算。
行胜于言，直面科研领域痛点问题，帮助光计算“挣脱”算力瓶颈，另辟蹊径，“从0到1”重新设计适合光计算的新架构，是这个清华团队迈出的关键一步。
光电智能技术交叉创新团队部分成员合影（左三为戴琼海院士、右二为方璐副教授）
从“无极”而至“太极”的双向奔赴
从构思到实验，开辟新赛道、做第一个吃螃蟹的人往往都伴随着巨大的困难与压力。
每一个研究成果的背后，都凝缩了团队每一位成员的心血，是历经无数失败与彻夜难眠后，结出的那颗最耀眼的结晶。但方璐却将这次科研历程比拟为一场浪漫的“双向奔赴”：从算法架构上自顶向下探索，在硬件芯片设计上自底向上推演。
相异于电子神经网络依赖网络深度以实现复杂的计算与功能，“太极”光芯片架构源自光计算独特的‘全连接’与‘高并行’属性，化深度计算为分布式广度计算，为实现规模易扩展、计算高并行、系统强鲁棒的通用智能光计算探索了新路径。
据论文第一作者、电子系博士生徐智昊介绍，在“太极”架构中，自顶向下的编码拆分-解码重构机制，将复杂智能任务化繁为简，拆分为多通道高并行的子任务，构建的分布式‘大感受野’浅层光网络对子任务分而治之，突破物理模拟器件多层深度级联的固有计算误差。
化“深”为“广”：分布式广度光计算架构
团队以周易典籍‘易有太极，是生两仪’为启发，建立干涉-衍射联合传播模型，融合衍射光计算大规模并行优势与干涉光计算灵活重构特性，将衍射编解码与干涉特征计算进行部分/整体重构复用，以时序复用突破通量瓶颈，自底向上支撑分布式广度光计算架构，为片上大规模通用智能光计算探索了新路径。
通俗来讲，干涉-衍射的组合方式仿佛就是在拼乐高玩具。乐高积木可以通过一个模块凹槽与另一个模块凸起的契合来完成两个组件的拼接。在科研团队眼中，一旦把干涉、衍射变成基础模块，进行重构复用，可以凭借丰富的想象力搭建出变化无穷的造型。
两仪一元：干涉-衍射融合计算芯片
据论文报道：“太极”光芯片具备879 T MACS/mm2的面积效率与160 TOPS/W的能量效率，首次赋能光计算实现自然场景千类对象识别、跨模态内容生成等人工智能复杂任务。
“太极”光芯片有望为大模型训练推理、通用人工智能、自主智能无人系统提供算力支撑。
复杂智能任务实验结果展示
方璐表示，“之所以将光芯片命名为‘太极’，也是希望可以在如今大模型通用人工智能蓬勃发展的时代，以光子之道，为高性能计算探索新灵感、新架构、新路径 。”
学科交叉融合，探索无限可能
“太极”光芯片的诞生是多学科交叉碰撞、探索无限的过程。
从一个初步设想到打破常规思维、确立科研思路，从理论计算到架构创新，再到模拟试验、现场实测......每一个重大突破性研究，都涉及不同学科高度交叉融合，催生出“0到1”的成果。
北京信息科学与技术国家研究中心的光电智能技术交叉创新团队由来自电子系、自动化系、集成电路学院、软件学院的领域学者和专门研究人员组成。
在这里，“理学思维融合工科实践，交叉领域践行原始创新”的理念一以贯之，团队始终致力于为中国成为世界科学中心和创新高地贡献出清华力量。
和团队的对话中，“初心”和“坚持”两个词语，被多人反复提及。恰如团队成员所言，“科学研究是一个厚积薄发的过程，不是一蹴而就的，就像在黑暗中来回摸索，可能会经历反复失败，但一定要坚持自己的初心。”
一次次“推翻重来”“背水一战”的底气背后，是什么支撑着团队的坚持求索？
答案是：良好的学术环境和有组织科研的全方位保障。
2021年4月19日，习近平总书记在清华大学考察时强调，重大原始创新成果往往萌发于深厚的基础研究，产生于学科交叉领域，大学在这两方面具有天然优势。要保持对基础研究的持续投入，鼓励自由探索，敢于质疑现有理论，勇于开拓新的方向。
“当时，我有幸参与向总书记汇报团队的科研进展，在现场聆听总书记的嘱托。”三年过去，方璐和许多清华人一样，是亲历者、践行者，更是答卷人。
方璐认为，这次突破性科研成果的成功取得，是清华大学深入推进有组织科研的一次生动实践。
该课题受到科技部2030“新一代人工智能”重大项目、国家自然科学基金委杰青项目、基础科学中心项目，清华大学-之江实验室联合研究中心支持。
在合作者中，有来自各个学科、不同背景的成员。他们集思广益，多学科、多角度地探索更多解决途径。
跨界交叉、深度融合，创新的火花在学科碰撞中不断迸发，为科研团队厚植基础、勇攀高峰提供了新动能。