試想一下：如果未來的人工智能，不再依賴龐大的機(jī)房服務(wù)器，而是裝進(jìn)一塊巴掌大小的芯片里，以光速完成運(yùn)算——那會是怎樣的體驗(yàn)？或許你拿著手機(jī)，就能隨時(shí)調(diào)用一個(gè)“光學(xué)超級大腦”，處理海量圖像，相當(dāng)于在一秒鐘里看完一部電影的上萬幀畫面。
近日，上海理工大學(xué)顧敏院士團(tuán)隊(duì)在光子學(xué)期刊《光：快訊》（eLight）上發(fā)表最新研究成果：他們研發(fā)出一種三維高通量垂直集成光芯片，成功實(shí)現(xiàn)了每秒2500萬幀圖像處理的驚人速度。這塊“光學(xué)GPU（光學(xué)圖像處理器）”，有望為人工智能和算力的發(fā)展帶來全新可能。論文第一作者董毅博博士介紹，這項(xiàng)研究將一個(gè)原本需要一整張桌面才能搭建的光計(jì)算系統(tǒng)，壓縮進(jìn)了一枚可以放在手里的芯片中。
傳統(tǒng)的電子芯片依靠電流傳輸信息，但隨著AI模型越來越龐大，電子芯片遇到了速度和能耗的瓶頸。光芯片則不同，它利用光來計(jì)算和傳輸數(shù)據(jù)，天然具備“并行+高速+低功耗”的優(yōu)勢。顧敏院士團(tuán)隊(duì)本項(xiàng)工作的創(chuàng)新點(diǎn)在于，把一整套光計(jì)算系統(tǒng)“立體堆疊”在一起。核心器件是一種特殊的激光器陣列，叫做VCSEL（垂直腔面發(fā)射激光器）。它們就像一個(gè)個(gè)“光點(diǎn)像素”，不僅能發(fā)光，還能直接把圖像信息編碼進(jìn)去，再送入光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行超快計(jì)算。更巧妙的是，這些VCSEL之間彼此“不同步”，形成了獨(dú)特的非相干特性。聽上去專業(yè)，但帶來的效果卻是顯著的：運(yùn)算更穩(wěn)定，抗干擾能力更強(qiáng)，效率也更高。
在實(shí)驗(yàn)中，這枚芯片展示了“光速推理”的能力：1000張圖像只需40微秒即可識別完成，速度相當(dāng)于每秒2500萬幀。更令人驚訝的是，它每幀圖像所需的光能量密度甚至只有阿焦耳級別，相當(dāng)于負(fù)十八次方焦耳。論文通訊作者欒海濤副研究員形象地比喻，如果把現(xiàn)有的電子AI芯片比作“燃油車”，那么光芯片就是一輛幾乎不耗電的“光速高鐵列車”，在高速的同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了低能耗。
這塊芯片并不僅僅能做識別，還能完成圖像處理，比如多種邊緣檢測和降噪操作。研究團(tuán)隊(duì)通過巧妙設(shè)計(jì)，讓芯片在光傳播的同時(shí)就完成卷積運(yùn)算，相當(dāng)于把常見的圖像處理工具“寫進(jìn)了光里”。
這項(xiàng)成果不僅為人工智能算力開辟了新的路徑，也展示了光芯片走向?qū)嵱没闹匾徊?。研究人員表示，目前的處理速度遠(yuǎn)未觸及物理極限，未來有望突破到上億幀/秒。隨著進(jìn)一步優(yōu)化，這類芯片有望在智能駕駛、醫(yī)療影像、機(jī)器視覺乃至大模型加速等領(lǐng)域大顯身手。顧敏院士說：“我們希望未來的人工智能，不僅更強(qiáng)大，而且更輕便、更節(jié)能?！?/p>
論文原理圖
論文鏈接: https://doi.org/10.1186/s43593-025-00106-9
