【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，武漢光電國家研究中心張新亮、董建績教授團隊在光計算與邊緣智能領(lǐng)域取得突破，成功研發(fā)了一款新型的光子邊緣智能芯片(PEIC)。該芯片創(chuàng)新性地實現(xiàn)了將圖像、光譜和射頻信號等多種模擬信號融合并在光域中直接處理，為解決邊緣計算中實時、高通量模擬信號處理的瓶頸問題提供了全新方案。相關(guān)研究成果發(fā)表在學術(shù)期刊Nature Communications上，題為“Photonic edge intelligence chip for multi-modal sensing, inference and learning”。
 

　　從智能機器人、健康可穿戴設(shè)備到雷達監(jiān)視，邊緣智能應(yīng)用需要實時處理海量的模擬信號。傳統(tǒng)的數(shù)字電子方案在處理這些高通量模擬信號時，受到模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和電子處理單元的制約，面臨著顯著的功耗、帶寬和延遲瓶頸。現(xiàn)有的集成光子技術(shù)雖然具有低延遲優(yōu)勢，但在直接處理和集成多種原始模擬數(shù)據(jù)方面仍存在挑戰(zhàn)，通常依賴復雜的電子預處理。
 

　　研究團隊提出并實現(xiàn)了一種光子邊緣智能芯片(PEIC)新架構(gòu)，如圖1所示。該芯片巧妙地將來自圖像、光譜和射頻信號等多種模態(tài)的模擬輸入融合，并統(tǒng)一編碼為寬帶光譜信號，通過單根光纖輸入芯片。在芯片上，這些光譜輸入由一個核心的陣列波導光柵(AWG)進行處理，該AWG創(chuàng)新性地同時執(zhí)行了光譜傳感和高能效的卷積運算(能效達29 fJ/OP)。結(jié)合后續(xù)的非線性激活層和全連接層，芯片構(gòu)成了一個端到端的光學神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，實驗中測得片上推理響應(yīng)時間僅為1.33納秒。
 

　　該芯片的核心創(chuàng)新在于提出了一種“模態(tài)融合”前端與片上光計算集成的方案，它統(tǒng)一了模擬信號的采集與光計算過程。與傳統(tǒng)方案不同，PEIC無需復雜的電子預處理和高功耗的ADC陣列，能直接處理原始模擬數(shù)據(jù)。研究團隊在實驗中成功演示了該芯片對3種不同模態(tài)信號的處理能力，包括藥物光譜識別、圖像分類和雷達目標分類任務(wù)，展示了其強大的通用性和實用潛力，如圖1所示：
 

　　圖1：光子邊緣智能芯片(PEIC)的概念與架構(gòu)。展示了芯片面向的多種邊緣智能應(yīng)用場景(如自動駕駛、健康監(jiān)測、雷達等)，對比了傳統(tǒng)電子方案與光學方案的局限性。本工作提出的“模態(tài)融合”方案：將圖像、光譜、射頻信號等多種模擬信號統(tǒng)一編碼為光譜信號，通過單根光纖輸入到集成的光子芯片中。芯片上集成了傳感與卷積、非線性激活和全連接層，構(gòu)成一個端到端的光學神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，以實現(xiàn)高能效、低延遲的片上智能處理。
 

　　該工作為開發(fā)集成了模擬信號采集和光計算的片上智能系統(tǒng)開辟了新路徑。這種“感算一體”的光子芯片方案，有望突破傳統(tǒng)電子硬件在邊緣智能應(yīng)用中的性能瓶頸，為自動駕駛、機器人、可穿戴醫(yī)療設(shè)備和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域開發(fā)下一代高性能、低功耗的邊緣計算平臺提供了堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。
 

　　該項目獲得國家自然科學基金杰出科學青年基金項目資助。武漢光電國家研究中心博士生張世紀為該論文的第一作者，董建績教授為通訊作者。