北京時間12月19日，上海交通大學集成電路學院（信息與電子工程學院）圖像通信與網(wǎng)絡工程研究所陳一彤課題組在新一代算力芯片領域取得重大突破，首次實現(xiàn)了支持大規(guī)模語義媒體生成模型的全光計算芯片，相關研究以“All-optical synthesis chip for large-scale intelligent semantic vision generation”（大規(guī)模智能語義視覺生成全光芯片）為題發(fā)表于國際頂級學術期刊《科學》（Science）上。上海交通大學為論文第一作者和通訊作者單位，陳一彤助理教授為第一作者及通訊作者。

研究背景

隨著深度神經網(wǎng)絡和大規(guī)模生成模型的迅猛演進，AI正以前所未有的速度革新世界。然而，規(guī)模爆炸式增長的生成模型帶來超高算力和能耗需求，與傳統(tǒng)芯片架構的性能增長速度已出現(xiàn)日益嚴峻的緊迫缺口。

為突破算力與能耗瓶頸，光計算等新型架構受到廣泛關注。然而如傳統(tǒng)的全光計算芯片主要局限于小規(guī)模、分類任務，光電級聯(lián)或復用又會嚴重削弱光計算速度。因此，“如何讓下一代算力光芯片能運行復雜生成模型”成為全球智能計算領域公認的難題。

研究成果

研究團隊首次提出全光大規(guī)模語義生成芯片LightGen，這也是國際首次實現(xiàn)的大規(guī)模全光生成式AI芯片，在單枚芯片上同時突破了百萬級光學神經元集成、全光維度轉換、無真值光芯片訓練算法的領域公認瓶頸。

大規(guī)模全光生成計算芯片LightGen

論文實驗驗證了全光芯片LightGen在高分辨率（≥512×512）圖像語義生成、3D生成（NeRF）、高清視頻生成及語義調控、去噪、局部及全局特征遷移等多項大規(guī)模生成式任務。不再讓電輔助光生成，而是讓全光芯片完整實現(xiàn)輸入圖像、理解語義、語義操控、生成全新媒體數(shù)據(jù)的端到端過程，即讓光“理解”和“認知”語義。

LightGen生成的采樣圖像示例

此外，LightGen采用了極嚴格的算力評價標準，在實現(xiàn)與電芯片上運行的Stable Diffusion、NeRF、Style Injection Diffusion等前沿電子神經網(wǎng)絡相仿生成質量的同時，直接測量整個系統(tǒng)端到端的耗時與耗能降低。實測表明，即便采用較滯后性能的輸入設備，LightGen仍可取得相比頂尖數(shù)字芯片2個和2個數(shù)量級的算力和能效提升。而如果采用前沿設備使得信號輸入頻率不是瓶頸的情況下，LightGen理論可實現(xiàn)算力提升7個數(shù)量級、能效提升8個數(shù)量級的性能躍升。這不僅直接體現(xiàn)了在不損失性能情況下替換頂尖現(xiàn)有芯片能獲得的巨大算力和能效提升，也印證了解決大規(guī)模集成、全光維度變換、無真值光場訓練等關鍵難點，全光片上實現(xiàn)大規(guī)模生成式網(wǎng)絡的重要意義。

論文同步被《Science》官方選為高光論文重點報道。論文中提到，生成式AI正加速融入生產生活，要讓“下一代算力芯片”在現(xiàn)代人工智能社會中真正實用，勢在必行的是研發(fā)能夠直接執(zhí)行真實世界所需任務的芯片——尤其是大規(guī)模生成模型這類對端到端時延與能耗極其敏感的任務。面向這一目標，LightGen為新一代算力芯片真正助力前沿人工智能開辟了新路徑，也為探索更高速、更高能效的生成式智能計算提供了新的研究方向。

相關研究及論文信息

陳一彤

陳一彤博士長期致力于光計算領域的研究，聚焦新一代算力芯片切實應用時的核心科學難點問題，團隊所提出的全模擬光電芯片ACCEL（Nature 623 (7985), 48-57），國際首次實測驗證了復雜智能任務中光計算的系統(tǒng)級算力優(yōu)越性，將光計算芯片中的超高算力能效，無損地保留和接入復雜成熟的數(shù)字社會中。2023年，所提出的PED (Photonic Encoder Decoder，Science Advances 9(7), eadf8437)光計算架構，更被Science子刊認證為“國際首個全光生成網(wǎng)絡（PED is the first demonstration of all-optical generative neural networks）”。基于上述研究基礎，LightGen突破性將全光芯片的適用范圍拓展到了大規(guī)模生成式神經網(wǎng)絡，并已與工業(yè)界合作開展應用實踐。

上海交通大學集成電路學院（信息與電子工程學院）陳一彤助理教授擔任第一作者及通訊作者，翟廣濤教授、張文軍院士、博士生孫心玥，清華大學碩士生譚龍濤、博士生姜一洲、博士后周銀等均對本文做出重要貢獻。該研究得到了多項國家及上海市項目資助。

來源：集成電路學院（信息與電子工程學院）

責任編輯：陳煜陽

主編：金雪