隨著各類大模型和深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)涌現(xiàn)，如何制造出滿足人工智能發(fā)展、兼具大算力和高能效的下一代AI芯片已成為國際前沿?zé)狳c。

據(jù)微信公眾號“清華大學(xué)”12日消息，清華大學(xué)電子工程系方璐副教授課題組、自動化系戴瓊海院士課題組摒棄傳統(tǒng)電子深度計算范式，另辟蹊徑首創(chuàng)分布式廣度智能光計算架構(gòu)，研制全球首款大規(guī)模干涉衍射異構(gòu)集成芯片太極（Taichi），實現(xiàn)160 TOPS/W的通用智能計算。

該研究成果于北京時間4月12日凌晨以《大規(guī)模光芯片“太極”賦能160 TOPS/W通用人工智能》為題發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》（Science）上。

方璐、戴瓊海為論文的通訊作者，電子工程系博士生徐智昊、博士后周天貺（清華大學(xué)水木學(xué)者）為論文第一作者。

“掙脫”算力瓶頸的中國光計算睿智嘗試

作為人工智能的三駕馬車之一，算力是訓(xùn)練AI模型、推理任務(wù)的關(guān)鍵。倘若把大模型當(dāng)作是做一道精致的菜肴，算力就好比一套稱手的烹飪工具。

世人皆知巧婦難為無米之炊，但再好的廚子，沒有一口好鍋、一把好刀，面對鮮美的食材也只能望而興嘆。

光計算，顧名思義是將計算載體從電變?yōu)楣?，利用光在芯片中的傳播進行計算，以其超高的并行度和速度，被認(rèn)為是未來顛覆性計算架構(gòu)的最有力競爭方案之一。

光芯片具備高速高并行計算優(yōu)勢，被寄予希望用來支撐大模型等先進人工智能應(yīng)用。

智能光計算作為新興計算模態(tài)，在后摩爾時代展現(xiàn)出有望超越硅基電子計算的潛力。然而其計算任務(wù)局限于簡單的字符分類、基本的圖像處理等。其痛點是光的計算優(yōu)勢被困在了不適合的電架構(gòu)中，計算規(guī)模受限，無法支撐亟需高算力與高能效的復(fù)雜大模型智能計算。

行勝于言，直面科研領(lǐng)域痛點問題，幫助光計算“掙脫”算力瓶頸，另辟蹊徑，“從0到1”重新設(shè)計適合光計算的新架構(gòu)，是這個清華團隊邁出的關(guān)鍵一步。

光電智能技術(shù)交叉創(chuàng)新團隊部分成員合影（左三為戴瓊海院士、右二為方璐副教授）

從“無極”而至“太極”的雙向奔赴

從構(gòu)思到實驗，開辟新賽道、做第一個吃螃蟹的人往往都伴隨著巨大的困難與壓力。

每一個研究成果的背后，都凝縮了團隊每一位成員的心血，是歷經(jīng)無數(shù)失敗與徹夜難眠后，結(jié)出的那顆最耀眼的結(jié)晶。但方璐卻將這次科研歷程比擬為一場浪漫的“雙向奔赴”：從算法架構(gòu)上自頂向下探索，在硬件芯片設(shè)計上自底向上推演。

相異于電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)依賴網(wǎng)絡(luò)深度以實現(xiàn)復(fù)雜的計算與功能，“太極”光芯片架構(gòu)源自光計算獨特的‘全連接’與‘高并行’屬性，化深度計算為分布式廣度計算，為實現(xiàn)規(guī)模易擴展、計算高并行、系統(tǒng)強魯棒的通用智能光計算探索了新路徑。

據(jù)論文第一作者、電子系博士生徐智昊介紹，在“太極”架構(gòu)中，自頂向下的編碼拆分-解碼重構(gòu)機制，將復(fù)雜智能任務(wù)化繁為簡，拆分為多通道高并行的子任務(wù)，構(gòu)建的分布式‘大感受野’淺層光網(wǎng)絡(luò)對子任務(wù)分而治之，突破物理模擬器件多層深度級聯(lián)的固有計算誤差。

化“深”為“廣”：分布式廣度光計算架構(gòu)

團隊以周易典籍‘易有太極，是生兩儀’為啟發(fā)，建立干涉-衍射聯(lián)合傳播模型，融合衍射光計算大規(guī)模并行優(yōu)勢與干涉光計算靈活重構(gòu)特性，將衍射編解碼與干涉特征計算進行部分/整體重構(gòu)復(fù)用，以時序復(fù)用突破通量瓶頸，自底向上支撐分布式廣度光計算架構(gòu)，為片上大規(guī)模通用智能光計算探索了新路徑。

通俗來講，干涉-衍射的組合方式仿佛就是在拼樂高玩具。樂高積木可以通過一個模塊凹槽與另一個模塊凸起的契合來完成兩個組件的拼接。在科研團隊眼中，一旦把干涉、衍射變成基礎(chǔ)模塊，進行重構(gòu)復(fù)用，可以憑借豐富的想象力搭建出變化無窮的造型。

兩儀一元：干涉-衍射融合計算芯片

據(jù)論文報道：“太極”光芯片具備879 T MACS/mm2的面積效率與160 TOPS/W的能量效率，首次賦能光計算實現(xiàn)自然場景千類對象識別、跨模態(tài)內(nèi)容生成等人工智能復(fù)雜任務(wù)。

“太極”光芯片有望為大模型訓(xùn)練推理、通用人工智能、自主智能無人系統(tǒng)提供算力支撐。

復(fù)雜智能任務(wù)實驗結(jié)果展示

方璐表示，“之所以將光芯片命名為‘太極’，也是希望可以在如今大模型通用人工智能蓬勃發(fā)展的時代，以光子之道，為高性能計算探索新靈感、新架構(gòu)、新路徑 。”

學(xué)科交叉融合，探索無限可能

“太極”光芯片的誕生是多學(xué)科交叉碰撞、探索無限的過程。

從一個初步設(shè)想到打破常規(guī)思維、確立科研思路，從理論計算到架構(gòu)創(chuàng)新，再到模擬試驗、現(xiàn)場實測......每一個重大突破性研究，都涉及不同學(xué)科高度交叉融合，催生出“0到1”的成果。

北京信息科學(xué)與技術(shù)國家研究中心的光電智能技術(shù)交叉創(chuàng)新團隊由來自電子系、自動化系、集成電路學(xué)院、軟件學(xué)院的領(lǐng)域?qū)W者和專門研究人員組成。

在這里，“理學(xué)思維融合工科實踐，交叉領(lǐng)域踐行原始創(chuàng)新”的理念一以貫之，團隊始終致力于為中國成為世界科學(xué)中心和創(chuàng)新高地貢獻出清華力量。

和團隊的對話中，“初心”和“堅持”兩個詞語，被多人反復(fù)提及。恰如團隊成員所言，“科學(xué)研究是一個厚積薄發(fā)的過程，不是一蹴而就的，就像在黑暗中來回摸索，可能會經(jīng)歷反復(fù)失敗，但一定要堅持自己的初心?！?

一次次“推翻重來”“背水一戰(zhàn)”的底氣背后，是什么支撐著團隊的堅持求索？

答案是：良好的學(xué)術(shù)環(huán)境和有組織科研的全方位保障。

2021年4月19日，習(xí)近平總書記在清華大學(xué)考察時強調(diào)，重大原始創(chuàng)新成果往往萌發(fā)于深厚的基礎(chǔ)研究，產(chǎn)生于學(xué)科交叉領(lǐng)域，大學(xué)在這兩方面具有天然優(yōu)勢。要保持對基礎(chǔ)研究的持續(xù)投入，鼓勵自由探索，敢于質(zhì)疑現(xiàn)有理論，勇于開拓新的方向。

“當(dāng)時，我有幸參與向總書記匯報團隊的科研進展，在現(xiàn)場聆聽總書記的囑托。”三年過去，方璐和許多清華人一樣，是親歷者、踐行者，更是答卷人。

方璐認(rèn)為，這次突破性科研成果的成功取得，是清華大學(xué)深入推進有組織科研的一次生動實踐。

該課題受到科技部2030“新一代人工智能”重大項目、國家自然科學(xué)基金委杰青項目、基礎(chǔ)科學(xué)中心項目，清華大學(xué)-之江實驗室聯(lián)合研究中心支持。

在合作者中，有來自各個學(xué)科、不同背景的成員。他們集思廣益，多學(xué)科、多角度地探索更多解決途徑。

跨界交叉、深度融合，創(chuàng)新的火花在學(xué)科碰撞中不斷迸發(fā)，為科研團隊厚植基礎(chǔ)、勇攀高峰提供了新動能。