中国半导体十大研究进展候选推荐（2023-049）——国际首个全模拟光电智能计算芯片ACCEL
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工作简介
——国际首个全模拟光电智能计算芯片ACCEL
近年来随着晶体管尺寸接近物理极限，影响半导体行业半个世纪的“摩尔定律”已趋于放缓甚至面临失效危机，而人工智能算法模型对算力的需求却在五年内增加了三十万倍。如何构建新一代计算架构，建立人工智能时代的芯片“新”秩序，成为国际高度关注的前沿热点。
针对这一难题，清华大学戴琼海院士、方璐副教授、吴嘉敏副教授、乔飞副研究员联合攻关，提出了一种“挣脱”摩尔定律的全新计算架构：全模拟光电智能计算芯片（All-analog Chip Combining Electronics and Light，简称ACCEL），算力达到目前高性能商用芯片的三千余倍。如果用交通工具的时间来类比芯片中信息流计算的时间，那么这枚芯片的出现，相当于将八小时的京广高铁缩短到了8秒钟。该成果于2023年10月，以“All-analog photoelectric chip for high-speed vision tasks”为题发表在国际顶刊Nature（《自然》）。
研究团队从最本质的物理原理出发，结合了基于电磁波空间传播的光计算，与基于基尔霍夫定律的纯模拟电子计算，“挣脱”传统芯片架构中数据转换速度、精度与功耗相互制约的物理瓶颈，在一枚芯片上突破大规模计算单元集成、高效非线性、高速光电接口三个国际难题。
图1为ACCEL芯片的计算原理，分为光学模拟计算模块（optical analog computing，OAC）和电学模拟计算模块（electronic analog computing，EAC）。OAC通过多层衍射光学计算模块，以光速提取高分辨率图像的特征，降低图像维度并减少光电转换需求。EAC包括一个32×32的光电二极管阵列，作为非线性激活器，将光学信号转换为模拟电子信号，实现类似二进制加权的全连接神经网络。ACCEL芯片以全模拟方式进行计算，在保证高任务性能的同时，还实现超高的计算能效和计算速度。以智能视觉任务和交通场景计算为例，光电融合芯片ACCEL的系统级能效（单位能量可进行的运算数），实测达到了74.8 Peta-OPS/W，是现有高性能芯片的四百万余倍。形象来说，原本供现有芯片工作一小时的电量，可供它工作五百多年。
目前限制芯片集成极限的一个关键因素，就是过高密度带来的散热难题。而在超低功耗下运行的光电融合芯片将有助于大幅度改善芯片发热问题，对芯片的未来设计带来全方位突破。更进一步，该芯片光学部分的加工最小线宽仅采用百纳米级，而电路部分仅采用180 nm CMOS工艺，已取得比7 nm制程的高性能芯片多个数量级的性能提升。同时所使用的材料简单易得，造价仅为后者的几十分之一。可以预见随着我国芯片加工技术不断提升，更多新材料加入的未来，本文所展示的只是这种颠覆性架构潜力的冰山一角。
全模拟光电智能计算芯片ACCEL兼具高算力与低功耗优势，突破了光场感知计算的时延、功耗、通量等掣肘，为人工智能算力、智能无人系统等提供支撑，具有广阔的应用前景。《自然》杂志特邀发表的该研究专题评述也指出，“或许这枚芯片的出现，会让新一代计算架构，比预想中早得多地进入日常生活”。
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作者简介
通讯作者
戴琼海，博士，中国工程院院士，清华大学教授、信息学院院长、北京信息科学与技术国家研究中心主任，中国人工智能学会理事长。
通讯作者
方璐，博士，清华大学电子工程系长聘副教授，国家杰青。
通讯作者
乔飞，博士，清华大学电子工程系副研究员。
研究方向为智能感知集成电路与系统设计。发表学术论文180余篇（如ISSCC，DAC，ICCAD，ISLPED，IROS，ICRA等和Nature，ASI，TCAS-I，TCAS-II，TVLSI，TC，TED，TCAD等）；申请和授权发明专利70余项。曾获2023年教育部科技进步一等奖、中国通信学会科技进步一等奖、2019年第二十三届全国发明展览会发明创业奖（金奖）、2022年ASP-DAC 2022集成电路设计比赛特别奖。
通讯作者
吴嘉敏，博士，清华大学自动化系副教授。
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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”全四季直播讲座回放链接：
https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68
2024年第五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！