近日，美國(guó)麻省理工學(xué)院科學(xué)家開(kāi)發(fā)出一種全集成光芯片。它能以光學(xué)方式執(zhí)行深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的所有關(guān)鍵計(jì)算，為制造能實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的高速處理器打開(kāi)了大門。該研究成果發(fā)表在《自然·光子學(xué)》雜志上。

這種新型光芯片能夠在不到半納秒的時(shí)間內(nèi)，完成機(jī)器學(xué)習(xí)分類任務(wù)的關(guān)鍵計(jì)算，性能與傳統(tǒng)硬件相當(dāng)。該芯片由相互連接的模塊組成，形成一個(gè)光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并采用商業(yè)代工工藝制造，這有助于技術(shù)的擴(kuò)展和與電子產(chǎn)品集成。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由多層相互連接的節(jié)點(diǎn)組成，執(zhí)行線性和非線性操作以處理復(fù)雜數(shù)據(jù)。其中，非線性運(yùn)算（如激活函數(shù)）使深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠解決復(fù)雜問(wèn)題。2017年，麻省理工學(xué)院恩格倫德小組與馬林·索爾賈契奇實(shí)驗(yàn)室合作，在光芯片上演示了能執(zhí)行矩陣乘法的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但這種設(shè)計(jì)無(wú)法在芯片上直接進(jìn)行非線性操作。設(shè)計(jì)的難題在于，觸發(fā)光學(xué)非線性非常耗電。

后來(lái)，研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種非線性光學(xué)功能單元（NOFU），克服了這一挑戰(zhàn)。他們通過(guò)結(jié)合電子學(xué)和光學(xué)技術(shù)，在芯片上實(shí)現(xiàn)了非線性操作，從而實(shí)現(xiàn)在光芯片上構(gòu)建光學(xué)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。其中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)編碼作為光信號(hào)，通過(guò)可編程分光鏡陣列進(jìn)行矩陣乘法，再由NOFU實(shí)現(xiàn)非線性功能，無(wú)需外部放大器，能耗極低。

該光芯片在訓(xùn)練測(cè)試中準(zhǔn)確率超96%，推理準(zhǔn)確率超92%，且執(zhí)行關(guān)鍵計(jì)算時(shí)間不到半納秒。整個(gè)電路采用與制造CMOS芯片相同的基礎(chǔ)設(shè)施和工藝，有利于大規(guī)模生產(chǎn)和降低制造誤差。這一研究為在光芯片上高效訓(xùn)練深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提供了可能。

從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，光芯片有望實(shí)現(xiàn)更快、更節(jié)能的深度學(xué)習(xí)，適用于激光雷達(dá)、天文學(xué)和粒子物理學(xué)等領(lǐng)域的研究或高速電信等計(jì)算要求高的應(yīng)用。