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(diǎn)。

據(jù)微信公眾號(hào)“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(dòng)化系戴瓊海院士課題組摒棄傳統(tǒng)電子深度計(jì)算范式，另辟蹊徑首創(chuàng)分布式廣度智能光計(jì)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(shí)現(xiàn)160 TOPS/W的通用智能計(jì)算。

該研究成果于北京時(shí)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(jì)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(jì)算，顧名思義是將計(jì)算載體從電變?yōu)楣?，利用光在芯片中的傳播進(jìn)行計(jì)算，以其超高的并行度和速度，被認(rèn)為是未來顛覆性計(jì)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(jì)算優(yōu)勢，被寄予希望用來支撐大模型等先進(jìn)人工智能應(yīng)用。

智能光計(jì)算作為新興計(jì)算模態(tài)，在后摩爾時(shí)代展現(xiàn)出有望超越硅基電子計(jì)算的潛力。然而其計(jì)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(diǎn)是光的計(jì)算優(yōu)勢被困在了不適合的電架構(gòu)中，計(jì)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(jì)算。

行勝于言，直面科研領(lǐng)域痛點(diǎn)問題，幫助光計(jì)算“掙脫”算力瓶頸，另辟蹊徑，“從0到1”重新設(shè)計(jì)適合光計(jì)算的新架構(gòu)，是這個(gè)清華團(tuán)隊(duì)邁出的關(guān)鍵一步。

光電智能技術(shù)交叉創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)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(shí)驗(yàn)，開辟新賽道、做第一個(gè)吃螃蟹的人往往都伴隨著巨大的困難與壓力。

每一個(gè)研究成果的背后，都凝縮了團(tuán)隊(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)復(fù)雜的計(jì)算與功能，“太極”光芯片架構(gòu)源自光計(jì)算獨(dú)特的‘全連接’與‘高并行’屬性，化深度計(jì)算為分布式廣度計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)規(guī)模易擴(kuò)展、計(jì)算高并行、系統(tǒng)強(qiáng)魯棒的通用智能光計(jì)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(jī)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(jí)聯(lián)的固有計(jì)算誤差。

化“深”為“廣”：分布式廣度光計(jì)算架構(gòu)

團(tuán)隊(duì)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(jì)算大規(guī)模并行優(yōu)勢與干涉光計(jì)算靈活重構(gòu)特性，將衍射編解碼與干涉特征計(jì)算進(jìn)行部分/整體重構(gòu)復(fù)用，以時(shí)序復(fù)用突破通量瓶頸，自底向上支撐分布式廣度光計(jì)算架構(gòu)，為片上大規(guī)模通用智能光計(jì)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(gè)模塊凹槽與另一個(gè)模塊凸起的契合來完成兩個(gè)組件的拼接。在科研團(tuán)隊(duì)眼中，一旦把干涉、衍射變成基礎(chǔ)模塊，進(jìn)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(jì)算芯片

據(jù)論文報(bào)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(jì)算實(shí)現(xiàn)自然場景千類對象識(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)代，以光子之道，為高性能計(jì)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(gè)初步設(shè)想到打破常規(guī)思維、確立科研思路，從理論計(jì)算到架構(gòu)創(chuàng)新，再到模擬試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測......每一個(gè)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(tuán)隊(duì)由來自電子系、自動(dòng)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(shí)踐，交叉領(lǐng)域踐行原始創(chuàng)新”的理念一以貫之，團(tuán)隊(duì)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(xiàn)出清華力量。

和團(tuán)隊(duì)的對話中，“初心”和“堅(jiān)持”兩個(gè)詞語，被多人反復(fù)提及。恰如團(tuán)隊(duì)成員所言，“科學(xué)研究是一個(gè)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(huì)經(jīng)歷反復(fù)失敗，但一定要堅(jiān)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(tuán)隊(duì)的堅(jiān)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(shí)強(qiáng)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(lì)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(shí)，我有幸參與向總書記匯報(bào)團(tuán)隊(duì)的科研進(jìn)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(jìn)有組織科研的一次生動(dòng)實(shí)踐。

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

在合作者中，有來自各個(gè)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(tuán)隊(duì)厚植基礎(chǔ)、勇攀高峰提供了新動(dòng)能。