清華“太極-Ⅱ”光芯片面世：成果登 Nature，首創(chuàng)全前向智能光計(jì)算訓(xùn)練架構(gòu)

  ICC訊  8 月 8 日消息，據(jù)清華大學(xué)官方消息，清華大學(xué)電子工程系方璐教授課題組、自動(dòng)化系戴瓊海院士課題組另辟蹊徑，首創(chuàng)了全前向智能光計(jì)算訓(xùn)練架構(gòu)，研制了“太極-II”光訓(xùn)練芯片，實(shí)現(xiàn)了光計(jì)算系統(tǒng)大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高效精準(zhǔn)訓(xùn)練。

  該研究成果以“光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)全前向訓(xùn)練”為題，于北京時(shí)間 8 月 7 日晚在線(xiàn)發(fā)表于《自然》期刊。

  清華大學(xué)電子系為論文第一單位，方璐教授、戴瓊海教授為論文的通訊作者，清華大學(xué)電子系博士生薛智威、博士后周天貺為共同一作，電子系博士生徐智昊、之江實(shí)驗(yàn)室虞紹良博士參與了該項(xiàng)工作。該課題受到國(guó)家科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、北京信息科學(xué)與技術(shù)國(guó)家研究中心、清華大學(xué)-之江實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合研究中心的支持。

  Nature 審稿人在審稿評(píng)述中指出“本文中提出的想法非常新穎，此類(lèi)光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ONN)的訓(xùn)練過(guò)程是前所未有的。所提出的方法不僅有效，而且容易實(shí)現(xiàn)。因此，它有望成為訓(xùn)練光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)的廣泛采用的工具?！?

  據(jù)清華大學(xué)官方介紹，近年間，具有高算力低功耗特性的智能光計(jì)算逐步登上了算力發(fā)展的舞臺(tái)。通用智能光計(jì)算芯片“太極”首次將光計(jì)算從原理驗(yàn)證推向了大規(guī)模實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，擁有 160TOPS / W 的系統(tǒng)級(jí)能效，但現(xiàn)有的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練嚴(yán)重依賴(lài) GPU 進(jìn)行離線(xiàn)建模并且要求物理系統(tǒng)精準(zhǔn)對(duì)齊。

  據(jù)論文第一作者、電子系博士生薛智威介紹，在太極-II 架構(gòu)下，梯度下降中的反向傳播化為了光學(xué)系統(tǒng)的前向傳播，光學(xué)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練利用數(shù)據(jù)-誤差兩次前向傳播即可實(shí)現(xiàn)。兩次前向傳播具備天然的對(duì)齊特性，保障了物理梯度的精確計(jì)算。由于不需要進(jìn)行反向傳播，太極-II 架構(gòu)不再依賴(lài)電計(jì)算進(jìn)行離線(xiàn)的建模與訓(xùn)練，大規(guī)模神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)高效光訓(xùn)練終于得以實(shí)現(xiàn)。

  論文研究表明，太極-II 能夠?qū)Χ喾N不同光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，并在各種任務(wù)下均表現(xiàn)出了卓越的性能：

  大規(guī)模學(xué)習(xí)領(lǐng)域：突破了計(jì)算精度與效率的矛盾，將數(shù)百萬(wàn)參數(shù)的光網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度提升了 1 個(gè)數(shù)量級(jí)，代表性智能分類(lèi)任務(wù)的準(zhǔn)確率提升 40%。

  復(fù)雜場(chǎng)景智能成像：弱光環(huán)境下(每像素光強(qiáng)度僅為亞光子)實(shí)現(xiàn)了能量效率為 5.40×10^6 TOPS / W 的全光處理，系統(tǒng)級(jí)能效提升 6 個(gè)數(shù)量級(jí)。在非視域場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)了千赫茲幀率的智能成像，效率提升 2 個(gè)數(shù)量級(jí)。

  拓?fù)涔庾訉W(xué)領(lǐng)域：在不依賴(lài)任何模型先驗(yàn)下可自動(dòng)搜索非厄米奇異點(diǎn)，為高效精準(zhǔn)解析復(fù)雜拓?fù)湎到y(tǒng)提供了新思路。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07687-4