近日，麻省理工學(xué)院的科學(xué)家們成功研發(fā)了一種全新的全集成光芯片，它采用光學(xué)方式來(lái)完成深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)所需的核心計(jì)算任務(wù)，為打造能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)學(xué)習(xí)的高速處理器開辟了新途徑。

這款光芯片能夠在極短的時(shí)間內(nèi)，即不到半納秒，完成機(jī)器學(xué)習(xí)分類任務(wù)中的關(guān)鍵計(jì)算，其性能可與傳統(tǒng)硬件相媲美。

該芯片由一系列相互連接的模塊構(gòu)成，形成了一個(gè)光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并且采用商業(yè)代工工藝制造，這將有助于技術(shù)的進(jìn)一步擴(kuò)展以及與電子產(chǎn)品的集成。

深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通常由多個(gè)相互連接的節(jié)點(diǎn)層組成，通過(guò)執(zhí)行線性和非線性操作來(lái)處理復(fù)雜的數(shù)據(jù)。其中，非線性運(yùn)算（例如激活函數(shù)）是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠解決復(fù)雜問(wèn)題的關(guān)鍵所在。早在2017年，麻省理工學(xué)院的恩格倫德小組與馬林·索爾賈契奇實(shí)驗(yàn)室就曾在光芯片上演示了能夠執(zhí)行矩陣乘法的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，但當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)無(wú)法在芯片上直接進(jìn)行非線性操作，因?yàn)橛|發(fā)光學(xué)非線性需要消耗大量的電力。

為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種非線性光學(xué)功能單元（NOFU）。他們結(jié)合了電子學(xué)和光學(xué)技術(shù)，在芯片上實(shí)現(xiàn)了非線性操作，從而成功地在光芯片上構(gòu)建了光學(xué)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)被編碼為光信號(hào)，通過(guò)可編程分光鏡陣列進(jìn)行矩陣乘法運(yùn)算，然后再由NOFU實(shí)現(xiàn)非線性功能，整個(gè)過(guò)程無(wú)需外部放大器，能耗極低。

在訓(xùn)練測(cè)試中，該光芯片的準(zhǔn)確率超過(guò)了96%，推理準(zhǔn)確率也超過(guò)了92%，并且能夠在不到半納秒的時(shí)間內(nèi)完成關(guān)鍵計(jì)算。整個(gè)電路采用了與制造CMOS芯片相同的基礎(chǔ)設(shè)施和工藝，這有利于大規(guī)模生產(chǎn)并降低制造誤差。這一研究成果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。

未來(lái)，光芯片有望引領(lǐng)深度學(xué)習(xí)走向更快、更節(jié)能的道路，并廣泛應(yīng)用于激光雷達(dá)、天文學(xué)、粒子物理學(xué)等研究領(lǐng)域以及高速電信等計(jì)算密集型應(yīng)用中。