當(dāng)今世界，科技飛速發(fā)展，計算技術(shù)不斷革新，人們對計算能力的需求也與日俱增。如何構(gòu)建新的計算架構(gòu)，發(fā)展新型人工智能計算芯片，成為國際關(guān)注的前沿?zé)狳c。其中，光計算被認(rèn)為是未來顛覆性計算架構(gòu)最有力的競爭方案之一。

光計算是一種新興的計算技術(shù)。與傳統(tǒng)電子計算基于電子信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理不同，光計算利用光信號執(zhí)行計算任務(wù)，具有更高的并行計算能力、更低的能耗、更大的帶寬、更快的響應(yīng)時間等特性。

2024年，光計算入選中國工程院信息與電子工程學(xué)部發(fā)布的“新一代信息工程科技新質(zhì)生產(chǎn)力技術(shù)備選清單”，足見其重要性。那么，科學(xué)家是如何將光用于計算的？光計算目前發(fā)展如何？

逐“光”而生，與“算”同行

何為光計算？光計算是利用光作為信息傳輸載體，按照一定的規(guī)則和方法，對數(shù)據(jù)或符號進(jìn)行操作以得到預(yù)期結(jié)果的過程。

20世紀(jì)40年代，科學(xué)家們將傅立葉變換引入光學(xué)中，早期光計算技術(shù)由此興起。隨著激光技術(shù)的誕生和非線性光學(xué)材料的發(fā)展，光計算引起了更多科學(xué)家的關(guān)注。20世紀(jì)80年代，有科學(xué)家在光域上實現(xiàn)霍普菲爾德神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的功能，并系統(tǒng)介紹了光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，“光計算”這一術(shù)語被正式提出。20世紀(jì)90年代研制出的光學(xué)數(shù)字處理器，是光計算技術(shù)的一個重要里程碑。然而，由于當(dāng)時光計算所具備的優(yōu)勢與各類應(yīng)用的計算需求普遍脫節(jié)，導(dǎo)致其應(yīng)用受限，一度處于發(fā)展遲緩的狀態(tài)。

從2010年至今，在大數(shù)據(jù)、尖端算法和先進(jìn)計算硬件的推動下，人工智能發(fā)展極其迅速，在眾多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。特別是在人工智能大模型出現(xiàn)后，人們對算力的需求更是呈現(xiàn)加速增長的態(tài)勢。然而，由于現(xiàn)階段半導(dǎo)體工藝的技術(shù)節(jié)點已經(jīng)接近晶體管的物理極限、摩爾定律發(fā)展逐漸放緩、當(dāng)代計算硬件“存”“算”分離的設(shè)計架構(gòu)使其在處理海量數(shù)據(jù)時計算速度和計算能耗均存在不足，未來智能社會的發(fā)展或?qū)⒚媾R算力瓶頸。因此，探尋一種高效的新型計算范式至關(guān)重要。

光計算作為一種區(qū)別于馮·諾伊曼架構(gòu)的計算范式，具有大帶寬、低延時、低能耗的優(yōu)勢，適合處理高速數(shù)據(jù)傳輸和并行計算任務(wù)。由于光信號的傳播特性及高頻特性，光計算在計算過程中還具備良好的抗電磁干擾能力。世界多個國家的科研機(jī)構(gòu)及科技公司都在關(guān)注著光計算技術(shù)的發(fā)展。未來，光計算有可能成為突破各領(lǐng)域算力瓶頸的關(guān)鍵技術(shù)。

百家爭鳴，成果初現(xiàn)

根據(jù)不同的物理實現(xiàn)方式，光計算可分為光量子計算和光經(jīng)典計算。

光量子計算，即基于光子的量子態(tài)疊加、糾纏等特性，對光子進(jìn)行信息編碼、量子操控及測量來完成計算功能。光子的量子特性，使光量子計算機(jī)可以在某些情況下比傳統(tǒng)計算機(jī)更快地完成一些計算任務(wù)。比如在量子化學(xué)模擬、密碼學(xué)和組合優(yōu)化等領(lǐng)域，光量子計算展現(xiàn)出了強(qiáng)大的潛力。

目前，光量子計算正處于發(fā)展初期。在全球范圍內(nèi)，我國已率先實現(xiàn)光量子計算優(yōu)越性驗證。2023年，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊宣布成功構(gòu)建255個光子的量子計算原型機(jī)“九章三號”，這一成果刷新了光量子信息的技術(shù)水平和量子計算優(yōu)越性的世界紀(jì)錄。

光經(jīng)典計算，即基于光的干涉、衍射及散射等特性，對光的頻率、相位、振幅及偏振等物理量進(jìn)行設(shè)計和特定操控以實現(xiàn)計算功能。在光經(jīng)典計算中，光計算又可以分為數(shù)字光計算和模擬光計算。其中，數(shù)字光計算由于光學(xué)邏輯電平的擦寫與存儲實現(xiàn)困難，光學(xué)器件集成密度低，難以實現(xiàn)大規(guī)模級聯(lián)擴(kuò)展。其是否能成為一種實際有效的計算架構(gòu)尚未被廣泛驗證。而模擬光計算在通過光學(xué)可編程信號處理器、光學(xué)伊辛機(jī)及光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等諸多實現(xiàn)方式的驗證后，已成為重要的研究方向。

光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬光計算的實現(xiàn)方式之一。目前，不同國家的科研人員已取得多項重要研究成果。2017年，美國麻省理工學(xué)院研究團(tuán)隊基于片上光學(xué)元器件馬赫-曾德爾干涉儀陣列，開發(fā)出具備深度學(xué)習(xí)能力的可編程納米光子處理器芯片，從而開啟了片上干涉光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究熱潮。2024年，清華大學(xué)研究團(tuán)隊提出了分布式智能光計算架構(gòu)，設(shè)計了大規(guī)模干涉-衍射異構(gòu)集成芯片“太極”，這個芯片理論上可以實現(xiàn)每瓦完成約160萬億次乘加操作次數(shù)。

近十年來，光計算的物理實現(xiàn)架構(gòu)層出不窮，其發(fā)展速度之快、涉及領(lǐng)域之廣、影響范圍之大均超過以往任何時期。不同國家的科研機(jī)構(gòu)及科技企業(yè)對于光計算實現(xiàn)所提出的方案可謂“百家爭鳴”，原理、技術(shù)層面的科學(xué)難題均取得了一系列突破。這為后續(xù)光計算的實際應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

“用武之地”，任重道遠(yuǎn)

隨著智能化時代的到來，社會各領(lǐng)域和各行業(yè)對于算力的需求量達(dá)到了前所未有的程度。人們不禁開始期待，身懷“十八般武藝”的光計算何時能派上用場。

現(xiàn)階段，人們對光計算的發(fā)展前景是樂觀的。從功能層面看，光計算能夠?qū)崿F(xiàn)微分算子、積分算子、卷積算子及矩陣乘加運(yùn)算等功能；從技術(shù)層面看，光計算在光域上能夠完成線性操作和非線性操作，用來處理復(fù)雜任務(wù)；從應(yīng)用層面看，光計算能夠在人工智能、氣象監(jiān)測、金融投資等諸多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。人工智能領(lǐng)域，光計算與人工智能技術(shù)結(jié)合后，可以處理更加龐大的數(shù)據(jù)量，建立更加優(yōu)秀的模型，研究更準(zhǔn)確的算法；氣象監(jiān)測領(lǐng)域，光計算將通過強(qiáng)化算力提升氣候監(jiān)測水平；金融投資領(lǐng)域，已有多家光量子計算企業(yè)與金融機(jī)構(gòu)合作，探索光量子計算應(yīng)用。目前，光計算已具備處理機(jī)器學(xué)習(xí)任務(wù)的能力，如圖像分類、語音識別、情感分析等。

然而，具備處理復(fù)雜任務(wù)的能力，并不意味著光計算可以高效地解決當(dāng)今社會存在的算力問題。現(xiàn)階段，科研團(tuán)隊關(guān)于光計算的研究工作依然以實驗室研究居多。因此，光計算的“練武之地”與其今后所面臨的“用武之地”不太一樣。例如諸多光計算芯片能夠同時具備可編程功能和非線性功能，但這僅僅是在考慮單個芯片或者極小規(guī)模的芯片組合條件下實現(xiàn)的。一旦面臨大規(guī)模擴(kuò)展問題，其性能將難以保證。這在很大程度上限制了光計算的廣泛應(yīng)用及其優(yōu)勢的充分發(fā)揮。

目前來看，光計算只有在大規(guī)模算力需求或特殊應(yīng)用的前提下才能體現(xiàn)出其不可替代的優(yōu)勢。因為光計算自身的生態(tài)系統(tǒng)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、通信協(xié)議，以及類似馮·諾伊曼架構(gòu)的通用光處理器架構(gòu)還未統(tǒng)一或成形，想要從“練武之地”走向“用武之地”，還離不開電子硬件電路的輔助，這也將是一個漫長的過程。

長路漫漫，任重道遠(yuǎn)。在這場算力之巔的競逐中，各國的科研人員都在極力尋求將光計算早日送入“用武之地”的破局之策。讓我們期待著這一天早日到來。

（文章轉(zhuǎn)載自《解放軍報》2025-02-07 第11版）