跟着各样大模子和深度神经集聚清晰比特派下载，若何制造出知足东谈主工智能发展、兼具大算力和高能效的下一代AI芯片，已成为海外前沿热门。中国科协发布的2023紧要科常识题中“若何终了顽劣耗东谈主工智能”被排在首位。

2023年10月25日，清华大学团队在超高性能计划芯片领域获取新贬抑。讨论效率以“All-analog photo-electronic chip for high-speed vision tasks”为题发表在Nature 上。

这枚芯片基于纯模拟光电交融计划架构，在包括ImageNet等智能视觉任求实测中，换取准确率下，比现存高性能GPU算力进步3000倍，能效进步400万倍。

图1 磋论说文（起头Nature ）

异日已来？光为载体的计划芯片

终了算力飞跃并非易事，相配是现时传统的芯片架构，受限于电子晶体管大小贴近物理极限。全新计划架组成为破局的要道。

光计划以其超高的并行度和速率，被合计是异日颠覆性计划架构的最有劲竞争决策之一。

光计划，顾名念念义是将计划载体从电变为光，应用光在芯片中的传播进行计划。面对以光速计划的诱东谈主前程，数年来海表里有名科研团队接踵提议多种筹办，但要替代现存电子器件终了系统级应用，仍面对紧要瓶颈：

一是如安在一枚芯片上集成大范围的计划单位（可控神经元），且不息相当累计进程；

二是终了高速高效的片上非线性；比特派下载

三是为兼容当今以电子信号为主体的信息社会，若何提供光计划与电子信号计划的高效接口。

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现常常见的模数调遣功耗，较光计划每步乘加运算逾越多个数目级，祛除了光计划自身的性能上风，导致光芯片难以在骨子应用中体现出优厚性。

系统级算力和能效，超现存芯片万倍

为措置这一海外贫瘠，清华大学团队创造性地提议了模拟电交融模拟光的计划框架，构建可见光下的大范围多层衍射神经集聚终了视觉特征索要，应用光电流径直进行基于基尔霍夫定律的纯模拟电子计划，两者集成在归拢枚芯片框架内，完成了“传感前 传感中 近传感”的新式计划系统。

极地面裁减了关于高精度ADC的需求，排斥传统计划机视觉处理范式在模数调遣历程中速率、精度与功耗互相制约的物理瓶颈，在一枚芯片上贬抑大范围集成、高效非线性、高速光电接口三个要道瓶颈。

图2. 光电计划芯片ACCEL的计划旨趣和芯片架构（起头Nature ）

实测进展下，ACCEL芯片的系统级算力达到现存高性能芯片的数千倍。同期系统级能效达74.8 Peta-OPS/W，较现存的高性能GPU、TPU、光计划和模拟电计划架构，进步了两千到数百万倍。

在超低功耗下开动的ACCEL将有助于大幅度改善发烧问题，关于芯片的异日筹办带来全方向贬抑，并为超高速物理不雅测提供算力基础。同期对无东谈主系统、自动驾驶等续航智商条件高的场景带来紧要利好。

表1. ACCEL和现存高性能芯片的系统级实测性能见地对比（起头：Nature ）非相关光径直计划

更进一步，ACCEL芯片还提拔非相关光视觉场景的径直计划，如论文中演示的交通场景实验。显赫拓展了ACCEL的应用领域，有望颠覆当今自动驾驶、机器东谈主视觉、移动建造等领域先将图片拍摄并保存在内存中后进行计划的念念路，幸免传输和ADC带脱期度，在传感历程中完成计划。

图3. ACCEL可用于电子建造超低功耗东谈主脸叫醒暗示动图（起头：清华大学）

开辟新旅途：颠覆性架构有望委果落地

清华攻关团队提议的新式计划架构不仅关于光计划本事的应用部署意旨紧要，对异日其他高遵守计划本事与现时电子信息系统的交融，亦深有启发。

论文通信作家之一，清华大学戴琼海院士先容谈，“汲取全新旨趣研发出计划系统是一座大山，而将新一代计划架构委果落地到践诺生涯，措置民生国计的紧要需求，是攀过岑岭后更迫切的攻关。”

Nature杂志特邀在Research Briefing发表的该盘考专题评论也指出，“大致这项责任的出现，会让新一代计划架构，比料到中早得多地插足广漠生涯（ACCEL might enable these architectures to play a part in our daily life much sooner than expected.）”。

清华大学戴琼海院士、方璐副栽培、乔飞副盘考员、吴嘉敏助理栽培为本文的共同通信作家；博士生陈一彤、博士生麦麦提·那扎买提、许晗博士为共归拢作；孟瑶博士、周天贶助理盘考员、博士生李广普、范静涛盘考员、魏琦副盘考员共同参与了这项盘考。

论文地址：https://www.nature.com/articles/s41586-023-06558-8

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