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清華“太極”光芯片：采用最古樸思路，“苦熬”而成

時(shí)間:2024-05-20來(lái)源:未知 作者:佚名
    近日，清華大學(xué)電子工程系副教授方璐帶領(lǐng)課題組成員，與中國(guó)工程院院士、清華大學(xué)自動(dòng)化系戴瓊海院士課題組組成交叉研究團(tuán)隊(duì)，在智能光計(jì)算芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新的突破。相關(guān)成果已于近日發(fā)表在Science期刊。
    他們首創(chuàng)干涉-衍射分布式廣度光計(jì)算架構(gòu)，研制了全球首款大規(guī)模通用智能光計(jì)算芯片——太極（Taichi），其系統(tǒng)級(jí)能效為每秒每焦耳160萬(wàn)億次運(yùn)算，超越主流商用AI芯片3個(gè)數(shù)量級(jí)，為后摩爾時(shí)代高性能智能計(jì)算開(kāi)辟了新路徑。
    太極芯片首次賦能智能光計(jì)算實(shí)現(xiàn)超過(guò)1000個(gè)類(lèi)別的自然場(chǎng)景圖像分類(lèi)，以及跨模態(tài)內(nèi)容生成等智能任務(wù)，可為AI大模型、智能無(wú)人系統(tǒng)、通用人工智能（AGI）等提供強(qiáng)有力的算力支持。
在這項(xiàng)研究初期，團(tuán)隊(duì)一度遭遇很大的困難。令研究者感慨的是，他們最終通過(guò)回顧上世紀(jì)80、90年代甚至更早期的經(jīng)典成果，突破了研究瓶頸。他們表示，正是這種追求初心的態(tài)度使得研究團(tuán)隊(duì)能夠不受時(shí)代局限，不受潮流影響，始終保持對(duì)科學(xué)問(wèn)題本質(zhì)的關(guān)注和熱情，從而產(chǎn)生新的突破。
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Science論文截圖

    一加一大于二

    光具備傳播速度快、表征維度多、計(jì)算功耗低等物理特性，智能光計(jì)算成為新一代人工智能的國(guó)際交叉前沿，擁有廣泛的應(yīng)用前景。
研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)大規(guī)模通用智能光計(jì)算難題，摒棄了現(xiàn)有光計(jì)算沿用傳統(tǒng)電子深度計(jì)算的范式，提出分布式廣度計(jì)算架構(gòu)，構(gòu)建深度淺但寬度廣的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，整體架構(gòu)可重構(gòu)、可復(fù)用。
與傳統(tǒng)的深度計(jì)算層層堆疊的方法不同，太極通過(guò)將復(fù)雜智能任務(wù)化繁為簡(jiǎn)，拆分為多通道、高并行的子任務(wù)，同時(shí)為子任務(wù)單獨(dú)組織集群、分配計(jì)算資源，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的高效處理。
受“易有太極，是生兩儀”的中國(guó)傳統(tǒng)哲學(xué)理念啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)以光的干涉和衍射表征“兩儀”，建立干涉-衍射片上聯(lián)合傳播模型。
    “通過(guò)融合干涉的靈活可重構(gòu)特性和衍射的大規(guī)模高并行特性，以辯證統(tǒng)一的理念實(shí)現(xiàn)干涉-衍射智能光計(jì)算。這種統(tǒng)一使得太極光芯片不僅具有可重構(gòu)通用計(jì)算能力，也具備高通量并行計(jì)算能力，實(shí)現(xiàn)一加一大于二的效果。”論文共同一作、清華大學(xué)電子工程系博士生徐智昊解釋道。

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太極芯片。受訪者供圖

    最古樸的思路

    研究初期，團(tuán)隊(duì)沿用了電子計(jì)算的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)以構(gòu)建大規(guī)模智能光計(jì)算，然而，推進(jìn)了半年就遇到了瓶頸：隨著層數(shù)的增加，計(jì)算規(guī)模與計(jì)算精度存在不可調(diào)和的矛盾。
“過(guò)去，我們構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大多是沿用電計(jì)算架構(gòu)，卻發(fā)現(xiàn)光的優(yōu)勢(shì)和潛力無(wú)法在電的架構(gòu)中發(fā)揮出來(lái)，如同籠中困獸。通過(guò)理論建模和分析發(fā)現(xiàn)，是電的架構(gòu)‘囚禁’了光的能力，也就是說(shuō)現(xiàn)有的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)并不適合智能光計(jì)算。”方璐在接受《中國(guó)科學(xué)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)。
為了掙脫瓶頸，研究團(tuán)隊(duì)決定走出固有電架構(gòu)思維的舒適區(qū)，尋求新的架構(gòu)突破。他們將目光投向了上世紀(jì)80、90年代甚至更早期有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典研究成果。在這些可能被遺忘的想法和經(jīng)典智慧中，通過(guò)重新審視和借鑒，他們找到了突破當(dāng)前困境的關(guān)鍵：回到最古樸的思路——做寬、做淺。
在方璐看來(lái)，回顧經(jīng)典也是回歸科研的初心，放下對(duì)潮流的盲從。這種追求初心的態(tài)度使得研究團(tuán)隊(duì)能夠不受時(shí)代局限，不受潮流影響，始終保持對(duì)科學(xué)問(wèn)題本質(zhì)的關(guān)注和熱情，從而發(fā)現(xiàn)新的思路、提出新的理論。

   太極光芯片的誕生是交叉學(xué)科合作的結(jié)晶，腦科學(xué)研究也為太極光芯片的架構(gòu)研發(fā)提供了重要思路。有腦科學(xué)的研究提出“淺腦理論”，即大腦以淺層扁平架構(gòu)形成大規(guī)模的并行計(jì)算單元。從感知到運(yùn)動(dòng)，甚至意識(shí)，各腦區(qū)都在這個(gè)淺層網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用。“腦科學(xué)的系列成果帶給我們的研究很多啟發(fā)。”方璐補(bǔ)充道。

    “苦熬”芯片

    然而，推翻構(gòu)架僅僅只是個(gè)開(kāi)始。接踵而至的是另一個(gè)艱巨的挑戰(zhàn)：芯片研制。
    太極光芯片是研究團(tuán)隊(duì)歷時(shí)3年不懈努力，歷經(jīng)無(wú)數(shù)次失敗和挑戰(zhàn)后，所收獲的成果。
    在芯片研發(fā)的漫長(zhǎng)征程中，流片是一個(gè)至關(guān)重要的里程碑，它標(biāo)志著研究團(tuán)隊(duì)的理論概念將要轉(zhuǎn)化為實(shí)際可制造的芯片。對(duì)于方璐和她的研究團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，這個(gè)階段充滿期待和焦慮。
    “流片周期通常需要3到6個(gè)月，等待芯片加工完成是一件很焦灼的事情。團(tuán)隊(duì)希望芯片快點(diǎn)回來(lái)，進(jìn)入下一階段的測(cè)試；同時(shí)又擔(dān)心流片的效果不好。這意味著要從頭再來(lái)一遍，時(shí)間成本很高。”方璐說(shuō)。
    研究團(tuán)隊(duì)第一次流片時(shí)，等待了4個(gè)月，結(jié)果不盡如人意。他們不得不從零開(kāi)始，重新審視每一個(gè)細(xì)節(jié)，尋找可能存在的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)2個(gè)月的調(diào)整和優(yōu)化，又等了6個(gè)月，第二次流片結(jié)果送回時(shí)，團(tuán)隊(duì)成員們露出來(lái)了開(kāi)心的笑容。
    在這項(xiàng)研究研究中，太極光芯片的實(shí)驗(yàn)成果是團(tuán)隊(duì)共同“苦熬”出來(lái)的。
    “為了讓實(shí)際實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到理論仿真的預(yù)期，我們不斷調(diào)整和優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。每一次實(shí)驗(yàn)都是一個(gè)漫長(zhǎng)而繁瑣的過(guò)程。類(lèi)似的過(guò)程重復(fù)‘上演’了百余次，研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是將千分類(lèi)智能任務(wù)的準(zhǔn)確率做到90%，最終以超出預(yù)期的結(jié)果結(jié)束了這場(chǎng)‘持久戰(zhàn)’。
 
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方璐（左一）和課題組學(xué)生（中間為徐智昊）在實(shí)驗(yàn)室。杜珊妮攝

    挑戰(zhàn)傳統(tǒng)

    2023年9月，團(tuán)隊(duì)第一時(shí)間投稿給了Science編輯部。論文在3天后送審，1個(gè)多月后，研究團(tuán)隊(duì)就收到了第一輪審稿意見(jiàn)。
    “審稿人對(duì)太極光芯片的架構(gòu)思路產(chǎn)生了意見(jiàn)分歧。深度學(xué)習(xí)發(fā)展至今，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為主流的智能計(jì)算架構(gòu)。”方璐說(shuō)。
    研究團(tuán)隊(duì)堅(jiān)持自己的觀點(diǎn)，用更多的理論和實(shí)驗(yàn)證據(jù)說(shuō)服審稿人。第二輪審稿結(jié)束后，他們的論文被順利接收了。
    今年是方璐從事科學(xué)研究的第17年：她本科畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，博士畢業(yè)于香港科技大學(xué)，現(xiàn)任清華大學(xué)電子工程系長(zhǎng)聘副教授。

    大規(guī)模光電智能計(jì)算是方璐團(tuán)隊(duì)一以貫之的研究目標(biāo)，整個(gè)團(tuán)隊(duì)為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)構(gòu)建了縱向并行、橫向聯(lián)網(wǎng)的路徑規(guī)劃。

    “團(tuán)隊(duì)成員都有各自獨(dú)立的研究問(wèn)題，在并行探索路徑的同時(shí)，彼此之間也會(huì)進(jìn)行交叉合作，開(kāi)展原創(chuàng)思想的交流碰撞。‘路漫漫其修遠(yuǎn)兮’，研究團(tuán)隊(duì)將會(huì)不忘初心，在大規(guī)模智能光計(jì)算的路徑上持之以恒地求索。目前我們正在搭建芯片的應(yīng)用系統(tǒng)，為產(chǎn)業(yè)化提供可行的方案。”方璐補(bǔ)充道。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl1203

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