【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，武漢光電國家研究中心張新亮教授、董建績教授團隊聯(lián)合中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所李明研究員成功研發(fā)了一種單片集成的光電耦合伊辛機。該技術(shù)實現(xiàn)了片上光學(xué)物理退火，在提升能效、縮小尺寸和加快收斂速度方面具有重要突破。研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Nature Communications上，題為“A monolithically integrated optical Ising machine”。華中科技大學(xué)吳波博士為論文第一作者，周海龍副教授、董建績教授、中國科學(xué)院半導(dǎo)體李明研究員為共同通訊作者，我校為第一通訊單位。
面對摩爾定律放緩和電子芯片能效極限，如何突破馮·諾依曼架構(gòu)成為新一代計算技術(shù)的關(guān)鍵課題。光學(xué)伊辛機因其在組合優(yōu)化問題求解中的巨大潛力而備受關(guān)注，但目前主流方法仍面臨集成度低、功耗高、響應(yīng)慢等瓶頸，制約其大規(guī)模應(yīng)用。為此，研究團隊提出了一種單片集成的光學(xué)伊辛機計算方案，基于光電耦合振蕩(OECO)結(jié)構(gòu)，首次實現(xiàn)了無需外部電學(xué)輔助的片上四自旋伊辛問題求解器。該系統(tǒng)采用定制化馬赫-曾德爾干涉儀(MZI)構(gòu)建的對稱光學(xué)耦合矩陣，結(jié)合超緊湊、低功耗的光電耦合(OEC)非線性單元，實現(xiàn)了線性與非線性功能在芯片上深度融合。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示：
圖1 光學(xué)伊辛機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。展示光電耦合(OEC)非線性單元、4×4對稱耦合矩陣、輸入輸出路徑，以及自旋態(tài)從初始態(tài)演化至基態(tài)的過程
OEC單元的面積僅0.01 mm?，單元功耗4 mW，系統(tǒng)耦合矩陣實現(xiàn)了平均0.986的矩陣保真度，單自旋態(tài)演化時間為150 ns，系統(tǒng)回路時延為1.71 ns。系統(tǒng)能夠高效地找到目標(biāo)伊辛問題的最優(yōu)解，成功演化出預(yù)期的基態(tài)，如下圖所示：
圖2 四自旋狀態(tài)演化及最終解圖像。在激勵脈沖作用下，四個自旋狀態(tài)演化為[-1, 1, -1, 1]，驗證系統(tǒng)正確求解能力
該方案的能效優(yōu)勢顯著，每自旋每輪演化的能耗僅為6.8 pJ，優(yōu)于目前其他片上或光纖實現(xiàn)的光學(xué)伊辛機方案。在集成度、功耗和收斂速度上全面領(lǐng)先，具備優(yōu)越的可擴展性和工程可實現(xiàn)性。研究成果為構(gòu)建片上物理退火計算加速器提供了堅實基礎(chǔ)，為光子計算邁向?qū)嵱没痛笠?guī)模集成奠定了關(guān)鍵技術(shù)支撐。
董建績團隊長期從事集成光學(xué)與光計算領(lǐng)域研究工作，在光學(xué)非線性激活函數(shù)、光學(xué)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片、單片集成光學(xué)伊辛機芯片、單片集成光學(xué)循環(huán)計算加速芯片、光學(xué)邏輯可編程邏輯陣列、光計算芯片訓(xùn)練和推理等方面獲得重要進展，近5年在eLight、Nature Communications、Advanced Photonics、Light Science & Applications、PhotoniX、Optica等期刊發(fā)表論文13篇。主持國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年基金、國家優(yōu)秀青年基金等項目，獲得全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文獎，2次獲得湖北省自然科學(xué)一等獎，1次獲得國家(研究生)教學(xué)成果二等獎。擔(dān)任期刊Frontier of Optoelectronics執(zhí)行主編、全國智能計算標(biāo)準(zhǔn)化委員會委員、中國光學(xué)學(xué)會纖維光學(xué)與集成光學(xué)專委會常務(wù)委員，作為發(fā)起人組織光子學(xué)公開課的光電計算專題。
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