文/陳根

在科幻小說《三體》里，有這么一段描述：“每秒500萬億次浮點(diǎn)運(yùn)算的計算機(jī)，出現(xiàn)在“面壁計劃”里。這是第二位面壁者雷迪亞茲看到的人類最強(qiáng)的計算力，用于頂尖的核爆模擬。”

這里的浮點(diǎn)運(yùn)算可以理解成對小數(shù)進(jìn)行計算，是非常精細(xì)的運(yùn)算模式，現(xiàn)實(shí)生活中的科學(xué)計算往往難以實(shí)現(xiàn)。但現(xiàn)在，基于光計算高速、低功耗、高并行的優(yōu)勢，來自清華大學(xué)的研究團(tuán)隊提出并構(gòu)建了光電智能衍射計算處理器（Diffractive Processing Unit, DPU）。

該處理器的構(gòu)架采用了光學(xué)衍射的物理現(xiàn)象，其能夠產(chǎn)生大規(guī)模的光學(xué)互聯(lián)，從而助力構(gòu)建高復(fù)雜度的光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。此外，DPU充分利用了光的波粒二象性，通過控制光波傳播的波前分布來實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)權(quán)重的調(diào)整，從而利用光電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)人工神經(jīng)元的功能。

DPU 的運(yùn)行過程光計算部分則幾乎承擔(dān)所有的計算操作，其采用高通量可編程的光電器件并結(jié)合電子計算的靈活特性，以實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)調(diào)控以及大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和參數(shù)的編程。

值得一提的是，將其所構(gòu)建的系統(tǒng)應(yīng)用于分類和識別任務(wù)，并在深度學(xué)習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行性能驗證，包括手寫數(shù)字圖像數(shù)據(jù)集、時尚物品圖像數(shù)據(jù)集，以及人類動作視頻數(shù)據(jù)集，結(jié)果光電智能計算模型性能超越了 LeNet-4 電子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

除此以外，該系統(tǒng)還能實(shí)現(xiàn)高速、高精度的人類動作識別。在運(yùn)行同樣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)條件下，光電計算系統(tǒng)與特斯拉 V100 圖形處理器（GPU）相比，計算速度提高了8倍，系統(tǒng)能效提升超過一個數(shù)量級，核心模塊計算能效則提升了四個數(shù)量級。

總的來說，該處理器有效地重構(gòu)了包含百萬神經(jīng)元的多類新型光電神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過自適應(yīng)的在線訓(xùn)練算法實(shí)現(xiàn)了高性能的視覺分類任務(wù)，有望讓《三體》小說中的科幻場景成為現(xiàn)實(shí)。

并且，光電智能計算技術(shù)在使用超材料構(gòu)建片上相控陣列方面，以及提升處理器的計算性能方面，都有很大發(fā)展空間。

當(dāng)前，隨著深度學(xué)習(xí)算法的持續(xù)發(fā)展，以及人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷增大，傳統(tǒng)的電子計算方式越來越難以滿足人工智能對處理器計算性能的需求。而未來，光電智能計算技術(shù)將有助于推動類腦光電子芯片的研發(fā)，從而為大規(guī)模數(shù)據(jù)的實(shí)時智能處理，以及從十億像素到百億像素光場的成像添磚加瓦。