新型光學(xué) AI 芯片問世：光纖傳輸飛躍，醫(yī)學(xué)與通信迎新契機(jī)

分類：動(dòng)態(tài) 2025-05-20 11:27:36 62閱讀次數(shù)

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大腦依靠神經(jīng)元間的電化學(xué)信號(hào)傳遞來處理信息，這一機(jī)制在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域被數(shù)學(xué)化抽象。像 DeepSeek、ChatGPT 這類大語言模型，便是在高維數(shù)學(xué)空間構(gòu)建信息網(wǎng)絡(luò)，借矩陣運(yùn)算模擬神經(jīng)元計(jì)算。而近期，一項(xiàng)前沿研究利用光傳播特性，搭建起光學(xué)神經(jīng)元連接網(wǎng)絡(luò)，在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)完整實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算功能，為相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展注入全新活力。

研究人員借助三維雙光子納米光刻技術(shù)，將微型光學(xué)衍射神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DN2s）與多模光纖集成，在 0.35 米長(zhǎng)多模光纖遠(yuǎn)端，開發(fā)出僅 150 微米 ×150 微米的新型 AI 芯片，其光學(xué)神經(jīng)元密度高達(dá) 10^6 個(gè)神經(jīng)元 / 立方厘米 。

從創(chuàng)新維度剖析，該技術(shù)在硬件層面摒棄了對(duì)傳統(tǒng)電子芯片的依賴。與大模型訓(xùn)練需堆疊大量 GPU 不同，它借助光學(xué)多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光連接直接運(yùn)算，開辟 AI 算力新路徑；在多模光纖圖像傳輸?shù)葘?shí)際場(chǎng)景中，不依賴傳統(tǒng) CPU 也能完成任務(wù)。并且，該技術(shù)實(shí)現(xiàn)全光纖光學(xué)圖像傳輸，成像速度達(dá) 100 幀 / 秒，訓(xùn)練資源需求少，僅需不到 4 萬個(gè)超參數(shù)，4-6 小時(shí)就能完成訓(xùn)練。相比同體積傳統(tǒng)光纖，其傳輸信號(hào)通量提升約 1 萬倍，圖像最小分辨率 14 微米，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸時(shí)分辨率更可提升至 1.5 微米，意味著在近似頭發(fā)絲直徑（約 100 微米）的光纖通道中，能精 準(zhǔn)傳輸約 1 萬個(gè)信號(hào)點(diǎn)，遠(yuǎn)超單模光纖只能傳輸單個(gè)信號(hào)點(diǎn)的能力。

該技術(shù)有望在多領(lǐng)域掀起變革。有專家指出，如此性能提升，有望達(dá)成近 8G 量級(jí)的信號(hào)傳輸通量，助力 5G/6G 邁向更高通信標(biāo)準(zhǔn)。在量子信息處理領(lǐng)域，或能顯著提升短距離量子計(jì)算芯片的信號(hào)傳輸與信息恢復(fù)能力，相關(guān)團(tuán)隊(duì)已完成片上多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)集成驗(yàn)證，正開展基于芯片平臺(tái)的量子密鑰分發(fā)研究。在醫(yī)學(xué)內(nèi)窺鏡成像方面，可作為約 100 微米直徑的微小探頭，無損觀測(cè)大腦神經(jīng)元活動(dòng)，還能將診療范圍拓展到傳統(tǒng)胃鏡難以觸及的小腸隱窩等區(qū)域 。

面對(duì)光纖彎曲影響傳輸性能，且現(xiàn)有方法無法將所有彎曲狀態(tài)納入訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的問題，團(tuán)隊(duì)提出光電融合方案，結(jié)合光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在信息處理速度和能效比上的優(yōu)勢(shì)，與計(jì)算機(jī)預(yù)訓(xùn)練的電神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)級(jí)聯(lián)，協(xié)同處理光纖彎曲導(dǎo)致的圖像畸變，為突破技術(shù)瓶頸開辟新方向。該研究通過 HeLa 細(xì)胞圖像傳輸展示了遷移學(xué)習(xí)能力，相關(guān)論文已發(fā)表在《自然?光子學(xué)》上 。

目前，相關(guān)代碼和數(shù)據(jù)已開源。在轉(zhuǎn)化應(yīng)用上，已利用該技術(shù)實(shí)現(xiàn)細(xì)胞組織高分辨率成像與傳輸，正與醫(yī)療機(jī)構(gòu)合作開展臨床前研究，計(jì)劃年內(nèi)完成實(shí)驗(yàn)室級(jí)內(nèi)窺鏡系統(tǒng)原型開發(fā)。

標(biāo)簽：芯片AI

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