《Nature Communications》:集成热光调制与3D空间并行的光子神经网络芯片

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导语

近日,来自中国多个顶尖研究机构的科学家团队在《Nature Communications》上发表了一项重磅成果(https://doi.org/10.1038/s41467-026-72316-9):他们成功研发出全球首款可编程的三维光子神经网络芯片------LAMP,为高性能、低延迟的AI计算开辟了全新路径。

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核心内容

1.三维架构突破平面限制

传统光子芯片受限于二维平面,输入输出通道少,数据需串行化处理。LAMP芯片采用三维波导阵列,支持8×8通道×8层的并行计算,大幅提升空间并行度。

2.可编程与原位训练

芯片集成74个微型热光加热器,可实时调控相位。利用SPSA梯度估计算法,直接在芯片上完成 原位训练,无需外部模型迁移。

3.计算性能卓越

理论计算吞吐量高达6,554TOPS,比现有可重构集成光子方案高出30倍以上。

4.两大应用验证

MNIST手写数字识别:训练准确率93%,测试准确率91.7%。

光学图案生成:成功生成"H""U""S""T"等字母,平均余弦相似度94%。

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研究意义

算力飞跃:6,554TOPS

在理想采样率下,LAMP芯片的理论计算吞吐量高达6,554TOPS,比当前最先进的可重构集成光子方案高出30倍以上。这意味着它能在极短时间内完成复杂的AI推理任务。

真正的3D并行计算

LAMP芯片首次在集成光芯片上实现了真正的三维空间并行计算,打破了平面光子芯片的输入输出瓶颈,为大规模、低延迟的光子计算提供了可行的硬件基础。

可扩展性强,兼容现有工艺

LAMP芯片采用飞秒激光直写技术制造,具备无掩模、快速、低成本等优势。未来可与二维材料、非线性元件等集成,实现全光端到端推理系统。

图1:灯笼形自适应多层光子(LAMP)架构及其神经网络抽象的概念示意图

图2:LAMP结构的制备、封装与表征

图3:LAMP网络针对修改后的国家标准与技术研究院(MNIST)手写数字分类任务的原位训练

图4:基于LAMP网络的片上图案生成

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