上海光机所在超高并行光计算集成芯片方面取得突破性进展

近日，中科院上海光机所空天激光技术与系统部谢鹏研究员团队在解决“光芯片上高密度信息并行处理”难题上取得突破，研制出超高并行光计算集成芯片-“流星一号”（如图1所示），实现了并行度>100的光计算原型验证系统。相关研究成果以《具备100波长复用能力的并行光计算》（Parallel Optical Computing Capable of 100-Wavelength Multiplexing）为题，以封面论文形式发表于《光：快讯》。

图1.超高并行光计算集成芯片-“流星一号”

光计算作为非冯·诺伊曼结构代表，具有可扩展、低功耗、超高速、宽带宽、高并行度的天然优势，是后摩尔时代破 解高维张量运算、复杂图像处理等大规模数据快速计算的关键技术，为人工智能、科学计算、多模态融合感知、超大规模数据交换等“算力密集+能耗敏感”场景提供硬件加速。过往几年，学术界和产业界持续对光计算芯片的矩阵规模、光学主频开展深度探索，以台积电的光计算芯片矩阵规模（~512x512）和美国加州理工学院的光计算光学主频（>100GHz）为典型代表，分别呈现逼近工艺极限和物理极限的趋势，进一步取得突破难度颇大。因而，有效扩展计算并行度是光计算性能提升的前沿发展方向，也是光计算迈向实用的必由之路。

上海光机所研究团队围绕光计算技术并行度提升，创新超高并行光计算架构（如图2所示），破 解光计算芯片的信息高密度信道串扰抑制、低时延光信号高精度同步和跨尺度高密度器件集成等核心挑战，在融合了多波长光源、高速光交互、可重构光计算、高精度光矩阵驱动和并行光电混合计算算法的基础上,成功研发了全新片上并行光计算集成芯片系统。该系统核心光芯片全部自主研制，包含了自主研制的集成微腔光频梳(频率间隔~50GHz，输出光谱范围>80nm，可支撑波长复用计算通道数>200)，作为芯片级多波长光源子系统；自主研制的大带宽、低时延、可重构光计算芯片(通光带宽>40nm)，作为高性能并行计算核心；自主研制的高精度、大规模、可扩展的驱动板卡，作为光学矩阵驱动子系统(通道数>256)；基于该光子集成芯片系统，首次验证了并行度>100的片上光信息交互与计算原型；在50GHz光学主频下，单芯片理论峰值算力>2560TOPS ，功耗比>3.2TOPS/W。

此研究进展为突破光计算的计算密度瓶颈，提升光计算性能开辟了新途径，为发展低功耗、低时延、大算力、高速率的超级光子计算机带来了可能性。

图2.超高并行光计算架构

图3.“流星一号”超高并行光计算集成芯片 (实物图)

相关链接：https://elight.springeropen.com/articles/10.1186/s43593-025-00088-8