近期，中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所光芯片集成研發(fā)中心、信息光學(xué)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)與暨南大學(xué)合作，提出了一種基于衍射分束器件實(shí)現(xiàn)高精度、大規(guī)模光電并行矩陣計(jì)算加速器的新型架構(gòu)—光學(xué)多成像投影架構(gòu)（Optical Multi-Imaging-casting architecture，OMica）。這種新型架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)矩陣卷積、矢量矩陣積以及矩陣乘法等真正意義上的并行計(jì)算，有望在面向?qū)Ｓ媚康牡拇笠?guī)模矩陣并行計(jì)算加速方面取得應(yīng)用。 Bjj<\8^M  
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現(xiàn)如今人類(lèi)社會(huì)已經(jīng)進(jìn)入以人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等為代表的大數(shù)據(jù)時(shí)代，對(duì)信息處理與計(jì)算的需求急劇增長(zhǎng)。為了有效解決當(dāng)前的算力困境，亟需尋找具有持續(xù)算力增長(zhǎng)空間的新型計(jì)算范式與架構(gòu)。目前，如何解決算力困境已形成了三條基本路線(xiàn)，分別是More-Moore、More-than-Moore和Beyond CMOS。其中，光學(xué)以其高并行、高能效比、高速度和無(wú)電磁干擾等優(yōu)點(diǎn)成為一種具有革命性的Beyond CMOS路線(xiàn)，其在構(gòu)建面向?qū)Ｓ媚康牡拇笠?guī)模矩陣并行計(jì)算系統(tǒng)方面有天然優(yōu)勢(shì)。 "uD=KlA  
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目前主流的光電計(jì)算架構(gòu)可以大致分為平面集成式和自由空間互連式兩類(lèi)。其中，平面集成式光電計(jì)算只能實(shí)現(xiàn)一維矢量-矩陣乘法，且受限于光子單元器件的集成度難以實(shí)現(xiàn)算力拓展，而自由空間互連式光電計(jì)算天然具備調(diào)控?cái)?shù)以百萬(wàn)像素的能力而有望實(shí)現(xiàn)更高算力。研究人員創(chuàng)造性地利用高質(zhì)量分束元件—達(dá)曼光柵，成功構(gòu)建了可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模、高精度的光學(xué)矩陣計(jì)算架構(gòu)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了計(jì)算精度約為8bits的10*10、20*20大小的矩陣卷積[1]。在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步研究了時(shí)、空間序列編碼方式以實(shí)現(xiàn)負(fù)數(shù)和復(fù)數(shù)運(yùn)算，并基于空間序列編碼方法實(shí)現(xiàn)了光學(xué)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的推理任務(wù)。研究人員進(jìn)一步優(yōu)化了182*224分束比的達(dá)曼光柵，初步驗(yàn)證了大規(guī)模光學(xué)矩陣卷積。此外，基于該計(jì)算架構(gòu)，研究人員提出了一種可實(shí)現(xiàn)多通道矢量矩陣積，即矩陣乘法的光學(xué)實(shí)現(xiàn)架構(gòu)，并成功演示了8×4和4×8矩陣乘法的并行計(jì)算加速[2]。 =_pwA:z"A  
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這種OMica架構(gòu)計(jì)算加速器可以在白光照明條件下工作，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)真實(shí)自然場(chǎng)景光學(xué)圖像的直接處理，從而突破至少在輸入端的光-電-光轉(zhuǎn)換瓶頸。同時(shí)，該架構(gòu)可以通過(guò)平板波導(dǎo)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步集成并有望在圖像數(shù)據(jù)處理、機(jī)器視覺(jué)、目標(biāo)識(shí)別等場(chǎng)景中專(zhuān)用目的計(jì)算加速方面得到實(shí)際應(yīng)用。 rwqv V^  
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該研究得到中國(guó)科學(xué)院、上海市科委、上海精密光學(xué)制造與測(cè)試服務(wù)平臺(tái)等項(xiàng)目的資助。 ?IYY'fS"  
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原文鏈接：1. https://opg.optica.org/prj/fulltext.cfm?uri=prj-11-2-299&id=525720 61K"(r~  
2. https://opg.optica.org/ol/abstract.cfm?doi=10.1364/OL.487676