中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-020）——超高集成度光学卷积处理芯片
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工作简介
——超高集成度光学卷积处理芯片
卷积神经网络是一种受生物视觉神经系统启发而发展起来的人工神经网络，它由多层卷积层、池化层和全连接层组成。作为卷积神经网络的核心组成部分，卷积层通过对输入数据进行局部感知和权值共享，提取出不同层次和抽象程度的特征。在一个完整的卷积神经网络中，卷积运算的运算量通常占整个网络运算量的80%以上。虽然卷积神经网络在图像识别等领域取得了巨大的成功，但是它也面临着严峻的挑战。传统的卷积神经网络主要基于冯·诺依曼架构的电学硬件实现，存储单元和处理单元是分立的，这导致了数据交换速度和能耗之间的固有矛盾。随着数据量和网络复杂度的增加，电子计算方案越来越难以满足海量数据实时处理对高速、低能耗的计算硬件的需求。
光计算是一种利用光波作为载体进行信息处理的技术，它具有大带宽、低延时、低功耗等优点，提供了一种“传输即计算，结构即功能”的计算架构，有望避免冯·诺依曼计算范式中存在的数据潮汐传输问题。光计算在近年来受到了广泛关注，但大部分已报道的光计算方案中，光学元件的数量随着计算矩阵的规模呈二次增长趋势，这对光计算芯片规模扩展带来巨大的挑战。
应对上述挑战，李明研究员-祝宁华院士团队提出了基于多模干涉机制和波分复用技术的超紧凑、调控单元数量随运算矩阵规模线性增长的光学卷积运算芯片，实验实现>7 TOPS/mm2的算力密度，为目前报道的最高算力密度的光计算芯片，并展现出极大的大规模集成的潜力。
图1. 光学卷积处理芯片结构图。
该光学卷积处理芯片通过两个4×4多模干涉耦合器和四个移相器构造了三个2×2相关的实值卷积核（如图1所示）。该团队创新性的将波分复用技术结合光的多模干涉，输入到输出的映射实现了卷积中的乘法运算过程，波分复用和光电转换实现了卷积中的加法运算，通过调节四个热调移相器实现相关卷积核重构（如图2所示）。
图2. 使用光学卷积处理芯片进行图像特征提取的结果。（a）输入的五个手写数字的图片；（b）使用计算机进行特征提取的结果；（c）使用提出的光学卷积处理单元进行特征的结果。
该团队提出的光学卷积处理芯片实验验证了手写数字图像特征提取和分类能力，结果表明，图像特征提取精度达到5 bit；对来自MNIST手写数字数据库的手写数字进行十分类，准确率达到92.17%。与其他光计算方案相比，该方案具有以下优点：
（1）高算力密度：将光波分复用技术与光多模干涉技术相结合，采用4个调控单元实现3个2×2实值Kernel并行运算，实验实现的算力密度>7 TOPS/mm2。
（2）线性扩展性：调控单元数量随着矩阵规模线性增长，具有很强的大规模集成的潜力。
成果以“Compact optical convolution processing unit based on multimode interference”为题发表在Nature Communications上。中国科学院半导体研究所李明研究员和石暖暖青年研究员为共同通讯作者，孟祥彦博士和张国杰博士为共同第一作者。
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作者简介
通讯作者
李明，男，博士，二级研究员，博士生导师，中国科学院半导体研究所党委委员和学术委员会委员，光电子材料与器件重点实验室主任，中国电子学会会士，美国光学学会会士（Optica Fellow），半导体学报常务副主编。
李明研究员长期致力于微波光子信号产生和可编程光学信号处理研究，在新型光电振荡器、光电协同智能计算和光电子集成芯片等方面取得了系列研究成果。2012年入选国家高层次人才计划，2015年获得国家自然科学基金优秀青年基金项目，2019年获得国家自然科学基金杰出青年基金项目，近5年主持国家自然科学基金重点项目、国家重点研发计划项目等30余项，发表期刊论文210余篇，其中发表Nature子刊11篇（1篇Nature Photonics，7篇Nature Communications，3篇Light: Science & Applications）。先后获得中国光学工程学会科学技术奖一等奖2项、中国通信学会科学技术一等奖1项和二等奖1项。
通讯作者
石暖暖，中国科学院半导体研究所，青年研究员。
主要研究方向智能光计算、光子信号产生及处理等方面。近5年来主持承担国家重点研发计划项目和课题，国家自然科学基金面上项目等国家级项目10余项，2022年入选第12批中国科学院“青年创新促进会”会员（中科院青年人才计划），2023年入选北京市科技新星计划“创新新星”（人才项目），发表Nature Communication等期刊论文20余篇，申请国家发明专利42项（其中授权17项）和PCT国际专利7项。
第一作者
孟祥彦，男，中国科学院半导体研究所2019级在读博士研究生。
主要研究方向为光子集成和智能光计算。在Nature Communications、Journal of Lightwave Technology、Optics Express等期刊发表论文9篇，其中一作/共同一作5篇；申请发明专利13件，其中已授权2件；2023年获中国激光杂志社首届“青衿奖”、2023年度“宝钢优秀学生奖”、“2023年度全国微波光子学学术新星”、第三届光电子集成芯片立强论坛“优秀论文奖”等。
第一作者
张国杰，男，2018年于吉林大学获学士学位，2023年于中国科学院半导体研究所获博士学位。
主要研究方向包括集成微波光子学、硅基光子学和光子神经网络。在Nature Communications、Journal of Lightwave Technology、Optics Express等期刊以第一作者/共同一作身份发表论文3篇，申请发明专利6件；曾获中国科学院半导体研究所所长奖学金、2023年度中科院半导体所五四青年学术论坛口头报告一等奖等奖项。
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原文传递
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《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。2023年，JOS首获影响因子为5.1，排在凝聚态物理学科20/76。
“半语-益言”系列讲座
借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全三季直播讲座回放链接：
https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68
2023年第四季直播讲座将不定期举办，敬请关注。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！