中国信科成功研制多功能可编程光电融合计算芯片

近日，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、鹏城实验室联合研发出多功能可编程的光电融合门阵列系统（P-FPGA）——LightIN。该系统由可编程光子芯片、电子控制模块和测试—编译—调节（TCA）智能配置框架组成，可实现光子计算加速、信号处理、网络交换和安全加密等多种功能。相关成果发表于 Nature 子刊 Light: Science & Applications 15：165。

随着人工智能模型规模不断扩大，传统电子计算集群在功耗、存储、互连和速度等方面面临瓶颈。论文指出，硅光子技术因具备高速、低时延、大带宽和CMOS兼容等特点，已在数据传输中得到广泛应用，并被积极探索用于AI集群中的光计算。然而，现有硅光集成芯片普遍存在功能适配性不足、软硬件协同不够等问题。

LightIN的核心是一枚采用SOI工艺制造的硅基集成光子芯片，采用4×4方形循环网格拓扑，集成40个可编程单元（共计160余个器件）。研究团队自研TCA智能配置框架，在无需片内监测光电探测器的条件下，实现了芯片功能的高效配置与可靠调节。

在计算加速方面，LightIN实现了4×4双向酉矩阵和3×3非酉矩阵乘法，计算速度超过1.92TOPS，计算精度超过6.22比特，光子核心能效达到1.875pJ/MAC。基于该系统构建的神经网络在Iris数据集上的在线推理准确率达到93.33%，总时延低于260皮秒。这意味着AI大模型训练中海量的矩阵运算任务，可通过光电子方式实现极低延迟的数据处理。在信号处理方面，LightIN可用于微环调制器自动波长锁定，支持5至32Gb/s的NRZ调制系统。实验结果显示，在25℃和35℃环境下，该系统均能保持17dB以上信噪比和7以上Q因子，验证了其在光I/O稳定运行中的应用潜力。在光交换方面，研究团队在LightIN上实现了4×4通道交换，在1560nm中心波长处端口间串扰最低可达-45dB，为数据中心互联提供了高可靠解决方案。在安全加密方面，团队在LightIN上实现了硅基光子物理不可克隆功能，其芯片内汉明距离为1.7%，芯片间汉明距离为50.15%，这如同为每台设备赋予了独一无二的“光子指纹”，为AI集群的数据传输提供了硬件级安全保障，有效抵御外部攻击。

LightIN证明了单芯片实现计算加速、信号处理、光交换和安全加密等多功能集成的可行性，并为大规模光子集成电路和光电子融合AI集群的发展奠定了基础。

作为我国光电子信息领域的龙头企业，中国信科集团长期深耕硅基光电子芯片技术研发和创新应用研究。此次LightIN系统的成功研发，验证了可编程光子芯片在多功能集成方面的工程可行性，更为下一代光电子AI集群建设奠定了核心基础，将为数字经济发展注入强劲的“光子动力”。