清華團隊發佈中國AI光芯片“太極”，受《周易》啓發

隨着各類大模型和深度神經網絡湧現，如何製造出滿足人工智能發展、兼具大算力和高能效的下一代AI芯片已成為國際前沿熱點。

據微信公眾號“清華大學”12日消息，清華大學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電子深度計算範式，另闢蹊徑首創分佈式廣度智能光計算架構，研製全球首款大規模干涉衍射異構集成芯片太極（Taichi），實現160 TOPS/W的通用智能計算。

該研究成果於北京時間4月12日凌晨以《大規模光芯片“太極”賦能160 TOPS/W通用人工智能》為題發表在最新一期的《科學》（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、博士後周天貺（清華大學水木學者）為論文第一作者。

“掙脱”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，算力是訓練AI模型、推理任務的關鍵。倘若把大模型當作是做一道精緻的菜餚，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為光，利用光在芯片中的傳播進行計算，以其超高的並行度和速度，被認為是未來顛覆性計算架構的最有力競爭方案之一。

光芯片具備高速高並行計算優勢，被寄予希望用來支撐大模型等先進人工智能應用。

智能光計算作為新興計算模態，在後摩爾時代展現出有望超越硅基電子計算的潛力。然而其計算任務侷限於簡單的字符分類、基本的圖像處理等。其痛點是光的計算優勢被困在了不適合的電架構中，計算規模受限，無法支撐亟需高算力與高能效的複雜大模型智能計算。

行勝於言，直面科研領域痛點問題，幫助光計算“掙脱”算力瓶頸，另闢蹊徑，“從0到1”重新設計適合光計算的新架構，是這個清華團隊邁出的關鍵一步。

光電智能技術交叉創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

從構思到實驗，開闢新賽道、做第一個吃螃蟹的人往往都伴隨着巨大的困難與壓力。

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

相異於電子神經網絡依賴網絡深度以實現複雜的計算與功能，“太極”光芯片架構源自光計算獨特的‘全連接’與‘高並行’屬性，化深度計算為分佈式廣度計算，為實現規模易擴展、計算高並行、系統強魯棒的通用智能光計算探索了新路徑。

據論文第一作者、電子系博士生徐智昊介紹，在“太極”架構中，自頂向下的編碼拆分-解碼重構機制，將複雜智能任務化繁為簡，拆分為多通道高並行的子任務，構建的分佈式‘大感受野’淺層光網絡對子任務分而治之，突破物理模擬器件多層深度級聯的固有計算誤差。

化“深”為“廣”：分佈式廣度光計算架構

團隊以周易典籍‘易有太極，是生兩儀’為啓發，建立干涉-衍射聯合傳播模型，融合衍射光計算大規模並行優勢與干涉光計算靈活重構特性，將衍射編解碼與干涉特徵計算進行部分/整體重構複用，以時序複用突破通量瓶頸，自底向上支撐分佈式廣度光計算架構，為片上大規模通用智能光計算探索了新路徑。

通俗來講，干涉-衍射的組合方式彷彿就是在拼樂高玩具。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、衍射變成基礎模塊，進行重構複用，可以憑藉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自然場景千類對象識別、跨模態內容生成等人工智能複雜任務。

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

複雜智能任務實驗結果展示

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展的時代，以光子之道，為高性能計算探索新靈感、新架構、新路徑 。”

學科交叉融合，探索無限可能

“太極”光芯片的誕生是多學科交叉碰撞、探索無限的過程。

從一個初步設想到打破常規思維、確立科研思路，從理論計算到架構創新，再到模擬試驗、現場實測……每一個重大突破性研究，都涉及不同學科高度交叉融合，催生出“0到1”的成果。

北京信息科學與技術國家研究中心的光電智能技術交叉創新團隊由來自電子系、自動化系、集成電路學院、軟件學院的領域學者和專門研究人員組成。

在這裏，“理學思維融合工科實踐，交叉領域踐行原始創新”的理念一以貫之，團隊始終致力於為中國成為世界科學中心和創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，被多人反覆提及。恰如團隊成員所言，“科學研究是一個厚積薄發的過程，不是一蹴而就的，就像在黑暗中來回摸索，可能會經歷反覆失敗，但一定要堅持自己的初心。”

一次次“推翻重來”“背水一戰”的底氣背後，是什麼支撐着團隊的堅持求索？

答案是：良好的學術環境和有組織科研的全方位保障。

2021年4月19日，習近平總書記在清華大學考察時強調，重大原始創新成果往往萌發於深厚的基礎研究，產生於學科交叉領域，大學在這兩方面具有天然優勢。要保持對基礎研究的持續投入，鼓勵自由探索，敢於質疑現有理論，勇於開拓新的方向。

“當時，我有幸參與向總書記彙報團隊的科研進展，在現場聆聽總書記的囑託。”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。

方璐認為，這次突破性科研成果的成功取得，是清華大學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、國家自然科學基金委傑青項目、基礎科學中心項目，清華大學-之江實驗室聯合研究中心支持。

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

跨界交叉、深度融合，創新的火花在學科碰撞中不斷迸發，為科研團隊厚植基礎、勇攀高峯提供了新動能。