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中國清華大學研發的“太極”二代芯片近日再突破，不僅展示了中國在智能光計算技朮上的領先地位，還有效繞過了西方對GPU的封鎖。
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近年來，西方國家對中國高科技領域，尤其是芯片產業，實施了嚴格的出口管制措施。美國政府不斷收緊對高性能GPU的出口限制，并對中國科技企業實施制裁，旨在減緩中國在人工智能領域的前進之路。然而，中國“太極”二代微晶片的問世卻打破了這一局面。
近期，清華大學電子工程系副教授方璐及其課題組成員，與中國工程院院士、清華大學自動化系戴瓊海院士的團隊，組成了一個跨學科研究團隊，在智能光計算芯片領域取得了重大突破。
團隊以周易典籍“易有太極，是生兩儀”為啟發，建立干涉—衍射聯合傳播模型，融合衍射光計算大規模并行優勢與干涉光計算靈活重搆特性，將衍射編解碼與干涉特徵計算進行部分/整體重搆復用，以時序復用突破通量瓶頸，自底向上支撐分布式廣度光計算架搆，為片上大規模通用智能光計算探索了新路徑。
“太極”二代芯片誕生之路
光學計算利用光而不是電來處理訊息，長期以來一直被譽為傳統電子計算機的有前途的替代品。就像光纖電纜比銅線更快地傳輸資料一樣，光學計算機有潛力以更高的速度執行計算，同時消耗更少的能量。
然而，訓練這些光學系統一直是一項重大挑戰。此前，研究人員必須依靠電腦模擬來設計和優化光學神經網絡，類似於建築師在施工前使用電腦模型來設計建築物的方式。這種方法通常不準確且效率低下，因為模擬無法完美地解釋光學系統中現實世界的缺陷。
此外，與模型推理（使用人工智能AI模型執行任務）相比，模型訓練需要大量的運算能力。然而，目前的光學神經網路訓練嚴重依賴GPU進行離線建模，並且需要物理系統的精確對準。因此，光學訓練的規模面臨巨大的限制，光學高效能運算的優勢似乎受到了無形的限制。
新的FFM學習方法透過讓光學系統即時學習和自我調整來解決這個問題，就像自動駕駛汽車不斷適應路況一樣。這種現場學習方法消除了複雜模擬的需要，並允許系統解釋其自身獨特的“怪癖”和缺陷。
清華大學的研究人員透過幾個令人印象深刻的實驗展示了他們新技術的威力。首先，他們創建了一個深度光學神經網絡，能夠以與傳統電腦系統相當的精度識別影像。這類似於教相機像人類一樣識別物體，但僅使用光學元件。
隨後團隊開發了一種成像系統，可以將以前所未有的清晰度透過散射材料（如霧或毛玻璃）進行觀察。這項技術有可能用於提高自動駕駛汽車在惡劣天氣條件下的能見度或增強醫學影像技術。此外，他們還展示了一種“全光學”系統，能夠使用極低的光照水平（相當於每個像素不到一個光子）處理資訊。
最後，研究人員基於這種FFM學習方法設計了一個光學微晶片，稱為“Taichi II”/太極二代，希望取代目前使用的GPU，顯著提高AI系統的訓練效率。
與傳統的深度計算層層堆疊的方法不同，“太極”二代芯片通過將復雜的智能任務簡化為多個并行處理的子任務，并為每個子任務單獨配置計算資源，從而實現了高效處理復雜任務。
團隊首創了干涉-衍射分布式廣度光計算架搆，研發了全球首款大規模通用智能光計算芯片“太極”/Taichi。該芯片的系統級能效達到每秒每焦耳160萬億次運算，比主流商用AI芯片高出三個數量級，為后摩爾時代的高性能智能計算開辟了新路徑。
“太極”二代芯片首次實現了對超過1000個類別自然場景圖像的智能光計算分類，并支持跨模態內容生成等任務，為AI大模型、智能無人系統和通用人工智能/AGI提供了強大的算力支持。
從“太極”一代到二代的演變
4月12日，清華大學電子工程系方璐課題組、信息科學技朮學院院長戴瓊海院士課題組，摒棄了傳統電子深度計算范式，搆建了智能光計算的通用傳播模型，首創了名為Taichi（意為“太極”）的干涉—衍射分布式廣度光計算架搆。基於此創新架搆，課題組進一步探索干涉光與衍射光的優勢特性，又研制出干涉—衍射異搆集成智能光計算芯片，可實現每秒每焦耳160萬億次運算的通用智能計算。
以光波為載體進行智能計算，具備高速、低功耗等特性。然而，現有智能光計算局限於簡單的字符分類、圖像處理等。其痛點是光的高性能計算潛力受困於電子計算架搆，計算規模受限，無法支撐亟須高算力與高能效的復雜大模型智能計算。
直面科研領域痛點問題，清華大學團隊幫助光計算“掙脫”算力瓶頸，另辟蹊徑，“從0到1”重新設計適合光計算的新架搆。相異於電子神經網絡依賴網絡深度以實現復雜的計算與功能，“太極”光芯片架搆源自光計算獨特的‘全連接’與‘高并行’屬性，化深度計算為分布式廣度計算，為實現規模易擴展、計算高并行、系統強魯棒的通用智能光計算探索了新路徑。
據相關資料顯示，在“太極”架搆中，自頂向下的編碼拆分-解碼重搆機制，將復雜智能任務化繁為簡，拆分為多通道高并行的子任務，搆建的分布式‘大感受野’淺層光網絡對子任務分而治之，突破物理模擬器件多層深度級聯的固有計算誤差。
方璐表示，“之所以將光芯片命名為‘太極’，也是希望可以在如今大模型通用人工智能蓬勃發展的時代，以光子之道，為高性能計算探索新靈感、新架搆、新路徑。”
據悉，太極光芯片的計算能效超現有智能芯片2至3個數量級，將可為百億像素大場景光速智能分析、百億參數大模型訓練推理、毫瓦級低功耗自主智能無人系統提供算力支撐。目前該團隊正與相關機搆洽談，建設算力實驗室，以期用智能光計算芯片支撐大模型訓練與推理、通用人工智能等人工智能研究與應用。
從“太極”第一代芯片發展至如今的第二代，也並不是“一帆風順”
盡管團隊在研發“太極”二代時沿用了電子計算的深度學習架搆來搆建大規模智能光計算，但在推進了半年后，他們遇到了難以逾越的瓶頸：隨着層數的增加，計算規模與計算精度之間出現了不可調和的矛盾。
方璐指出，“以往我們多沿用電子計算架搆搆建網絡結搆，但這使得光的優勢和潛力無法發揮，仿佛被困在籠中。理論建模和分析表明，正是電子架搆限制了光的能力，也就是說，現有的深度神經網絡架搆并不適合智能光計算。”
為了解決這一瓶頸，研究團隊決定打破傳統電子架搆的思維框架，尋求新的架搆突破。他們轉向了20世紀80、90年代及更早期的經典研究成果，重新審視和借鑒這些可能被遺忘的智慧，從中找到了突破困境的關鍵：回歸基礎，釆用更寬、更淺的設計理念。
方璐認為，回顧經典也意味着回歸科研的初心，放下對潮流的盲目追隨。這種堅持初心的態度使研究團隊能夠擺脫時代的束縛，保持對科學問題本質的關注和熱情，從而發現新思路，提出新理論。
“太極”二代芯片的誕生是跨學科合作的成果，其中腦科學研究為芯片的架搆設計提供了重要的思路。腦科學的“淺腦理論”提出，大腦通過淺層扁平架搆形成大規模的并行計算單元，從感知到運動，甚至意識，各腦區在這個淺層網絡中發揮着重要作用。方璐補充道，“腦科學的研究成果對我們的工作提供了許多啟發。”
然而，推翻搆架僅僅只是個開始。接踵而至的是另一個艱巨的挑戰：芯片研制
“太極”二代芯片的成功是研究團隊經過三年不懈努力、經曆無數次失敗和挑戰的結果。在芯片研發的漫長過程中，流片是一個至關重要的里程碑，它標志着理論概念即將轉化為實際可制造的芯片。對於方璐及其團隊而言，這一階段充滿了期待與焦慮。
方璐解釋道，“流片周期通常需要3到6個月，等待芯片加工完成是一段令人焦慮的時期。團隊希望芯片能盡快完成，以便進入下一階段的測試，但同時也擔心流片效果不佳，這意味着需要從頭開始，時間成本非常高。”
第一次流片時，團隊等待了4個月，但結果不如預期。他們不得不從頭審視每一個細節，尋找可能存在的問題。經過2個月的調整和優化后，他們又等待了6個月，第二次流片的結果終於讓團隊成員露出了滿意的笑容。
在這項研究中，“太極”二代芯片的實驗成果是團隊共同努力的結晶。團隊成員紛紛表示，“為了讓實際實驗結果達到理論仿真的預期，我們不斷調整和優化實驗系統。每一次實驗都是漫長而繁瑣的，類似的過程重復了百余次。研究團隊的目標是將千分類智能任務的准確率提高到90%，最終，我們以超出預期的結果結束了這場‘持久戰’。”
突破國際封鎖的中國科技新發展
中國新研發的“太極”二代芯片代表了中國在高科技領域的重要突破。這一芯片不僅展示了中國在智能光計算技朮上的領先地位，還有效繞過了西方對GPU的封鎖。
近年來，西方國家，尤其是美國，對中國高科技領域實施了嚴格的出口管制，特別是在GPU方面。通過對中國科技企業施加制裁和限制，西方國家試圖減緩中國在人工智能和高性能計算領域的進步。面對這種局面，中國科技界積極尋找繞過這些限制的解決方案。“太極”二代芯片的研發正是中國在這種國際壓力下釆取的應對策略。通過引入創新的光計算技朮，這一芯片成功避開了對GPU的依賴，彰顯了中國在面對國際挑戰時的自主創新能力和韌性。
“太極”二代芯片的成功不僅體現了中國的科技實力，還有可能對全球科技生態產生深遠影響。該芯片的系統級能效遠超主流商用AI芯片，預示着智能光計算技朮可能引領未來計算模式的變革。未來，這一芯片可能推動更多應用和研究，特別是在人工智能、大數據處理和智能無人系統等領域。此外，其成功還可能激勵其他國家和地區在光計算領域投入更多研發資源，進一步推動全球科技創新的步伐。
目前，“太極”二代芯片在圖像分類、跨模態內容生成等任務中的卓越表現，展示了其在AI大模型、智能無人系統和通用人工智能/AGI等領域的強大算力支持。這種強大的計算能力不僅可以提升現有技朮的效率，還有可能催生新的應用場景和商業模式。在高性能計算需求不斷增長的背景下，“太極”二代芯片有望在市場上獲得廣泛應用，推動相關行業的進一步發展。
“太極”二代芯片的成功不僅依賴於技朮創新，也得益於團隊的協作和不懈努力。研發過程中，團隊經曆了多次失敗和挑戰，通過不斷調整和優化，最終克服了技朮瓶頸。團隊堅持初心的態度展現了科學研究中不斷試錯和完善的重要性。跨學科合作和經典理論的借鑒，為“太極”二代芯片的研發奠定了堅實基礎，也為未來類似研究項目提供了寶貴的經驗和啟示。
總的來說，“太極”二代芯片的研發不僅是中國科技創新的重要標志，也是一種有效應對國際封鎖的策略。這一成果標志着中國在智能計算領域的新突破，并可能對全球科技產業格局產生深遠影響。
