國家信息光電子創(chuàng)新中心、光通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室與鵬城實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合宣布，成功研發(fā)出全球領(lǐng)先的多功能可編程光電融合門陣列系統(tǒng)“LightIN”，相關(guān)成果已發(fā)表于《自然》子刊《光：科學(xué)與應(yīng)用》。該系統(tǒng)通過集成可編程光子芯片、電子控制模塊與智能配置框架，首次在單芯片上實(shí)現(xiàn)了計算加速、信號處理、光交換和安全加密四大核心功能，為人工智能集群的光電子融合提供了突破性解決方案。

面對人工智能模型規(guī)模指數(shù)級增長帶來的算力瓶頸，傳統(tǒng)電子計算集群在功耗、帶寬和時延等關(guān)鍵指標(biāo)上已接近物理極限。研究團(tuán)隊(duì)指出，硅光子技術(shù)憑借其與CMOS工藝兼容、超低時延和超大帶寬的優(yōu)勢，成為突破計算瓶頸的關(guān)鍵路徑。然而，現(xiàn)有硅光芯片普遍存在功能固化、軟硬件協(xié)同效率低等問題，難以滿足AI集群對靈活性和通用性的需求。LightIN系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于，通過可編程架構(gòu)設(shè)計打破了這一局限，其核心是一枚基于絕緣體上硅（SOI）工藝制造的4×4方形循環(huán)網(wǎng)格光子芯片，集成40個可編程單元和160余個光電器件，配合自主研發(fā)的測試-編譯-調(diào)節(jié)（TCA）智能框架，實(shí)現(xiàn)了芯片功能的動態(tài)重構(gòu)與高效配置。

在性能驗(yàn)證中，LightIN展現(xiàn)出多維度的技術(shù)突破。計算加速方面，該系統(tǒng)支持4×4雙向酉矩陣和3×3非酉矩陣乘法運(yùn)算，峰值算力達(dá)1.92TOPS，能效比高達(dá)1.875皮焦/每乘加操作（pJ/MAC），基于其構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在鳶尾花數(shù)據(jù)集上實(shí)現(xiàn)93.33%的推理準(zhǔn)確率，總時延低于260皮秒。信號處理領(lǐng)域，系統(tǒng)成功應(yīng)用于微環(huán)調(diào)制器的自動波長鎖定，在5至32Gb/s的NRZ調(diào)制系統(tǒng)中，25℃至35℃溫變環(huán)境下仍保持17dB以上信噪比和7以上的Q因子，驗(yàn)證了其在光輸入/輸出接口的穩(wěn)定性。光交換測試中，4×4通道交換在1560nm波長下實(shí)現(xiàn)-45dB的端口間串?dāng)_，為數(shù)據(jù)中心互聯(lián)提供了低損耗、高隔離度的解決方案。更引人注目的是安全加密功能，通過硅基光子物理不可克隆技術(shù)，每枚芯片生成獨(dú)特的“光子指紋”，芯片內(nèi)漢明距離僅1.7%，而芯片間差異達(dá)50.15%，可有效抵御側(cè)信道攻擊和數(shù)據(jù)篡改。

作為該項(xiàng)目的牽頭單位，中國信科集團(tuán)在硅基光電子領(lǐng)域已布局十余年，其研發(fā)的芯片制造工藝與系統(tǒng)集成技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。LightIN系統(tǒng)的問世，不僅驗(yàn)證了可編程光子芯片在多功能集成領(lǐng)域的工程可行性，更通過單芯片架構(gòu)大幅降低了光電子系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本。據(jù)測算，該技術(shù)可使AI集群的能耗降低30%以上，同時將矩陣運(yùn)算速度提升至納秒級，為自動駕駛、實(shí)時金融交易等對時延敏感的場景提供了硬件支撐。目前，研究團(tuán)隊(duì)正與多家頭部企業(yè)合作，推進(jìn)LightIN在超算中心和5G基站等場景的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，預(yù)計三年內(nèi)形成規(guī)模化產(chǎn)能。