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清華“太極”光芯片:采用最古樸思路,“苦熬”而成

時間:2024-05-20來源:未知 作者:佚名
    近日,清華大學(xué)電子工程系副教授方璐帶領(lǐng)課題組成員,與中國工程院院士、清華大學(xué)自動化系戴瓊海院士課題組組成交叉研究團(tuán)隊,在智能光計算芯片領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了新的突破。相關(guān)成果已于近日發(fā)表在Science期刊。
    他們首創(chuàng)干涉-衍射分布式廣度光計算架構(gòu),研制了全球首款大規(guī)模通用智能光計算芯片——太極(Taichi),其系統(tǒng)級能效為每秒每焦耳160萬億次運算,超越主流商用AI芯片3個數(shù)量級,為后摩爾時代高性能智能計算開辟了新路徑。
    太極芯片首次賦能智能光計算實現(xiàn)超過1000個類別的自然場景圖像分類,以及跨模態(tài)內(nèi)容生成等智能任務(wù),可為AI大模型、智能無人系統(tǒng)、通用人工智能(AGI)等提供強有力的算力支持。
在這項研究初期,團(tuán)隊一度遭遇很大的困難。令研究者感慨的是,他們最終通過回顧上世紀(jì)80、90年代甚至更早期的經(jīng)典成果,突破了研究瓶頸。他們表示,正是這種追求初心的態(tài)度使得研究團(tuán)隊能夠不受時代局限,不受潮流影響,始終保持對科學(xué)問題本質(zhì)的關(guān)注和熱情,從而產(chǎn)生新的突破。
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Science論文截圖

    一加一大于二

    光具備傳播速度快、表征維度多、計算功耗低等物理特性,智能光計算成為新一代人工智能的國際交叉前沿,擁有廣泛的應(yīng)用前景。
研究團(tuán)隊針對大規(guī)模通用智能光計算難題,摒棄了現(xiàn)有光計算沿用傳統(tǒng)電子深度計算的范式,提出分布式廣度計算架構(gòu),構(gòu)建深度淺但寬度廣的光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),整體架構(gòu)可重構(gòu)、可復(fù)用。
與傳統(tǒng)的深度計算層層堆疊的方法不同,太極通過將復(fù)雜智能任務(wù)化繁為簡,拆分為多通道、高并行的子任務(wù),同時為子任務(wù)單獨組織集群、分配計算資源,從而實現(xiàn)復(fù)雜任務(wù)的高效處理。
受“易有太極,是生兩儀”的中國傳統(tǒng)哲學(xué)理念啟發(fā),研究團(tuán)隊以光的干涉和衍射表征“兩儀”,建立干涉-衍射片上聯(lián)合傳播模型。
    “通過融合干涉的靈活可重構(gòu)特性和衍射的大規(guī)模高并行特性,以辯證統(tǒng)一的理念實現(xiàn)干涉-衍射智能光計算。這種統(tǒng)一使得太極光芯片不僅具有可重構(gòu)通用計算能力,也具備高通量并行計算能力,實現(xiàn)一加一大于二的效果。”論文共同一作、清華大學(xué)電子工程系博士生徐智昊解釋道。

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太極芯片。受訪者供圖

    最古樸的思路

    研究初期,團(tuán)隊沿用了電子計算的深度學(xué)習(xí)架構(gòu)以構(gòu)建大規(guī)模智能光計算,然而,推進(jìn)了半年就遇到了瓶頸:隨著層數(shù)的增加,計算規(guī)模與計算精度存在不可調(diào)和的矛盾。
“過去,我們構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大多是沿用電計算架構(gòu),卻發(fā)現(xiàn)光的優(yōu)勢和潛力無法在電的架構(gòu)中發(fā)揮出來,如同籠中困獸。通過理論建模和分析發(fā)現(xiàn),是電的架構(gòu)‘囚禁’了光的能力,也就是說現(xiàn)有的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)并不適合智能光計算。”方璐在接受《中國科學(xué)報》采訪時說。
為了掙脫瓶頸,研究團(tuán)隊決定走出固有電架構(gòu)思維的舒適區(qū),尋求新的架構(gòu)突破。他們將目光投向了上世紀(jì)80、90年代甚至更早期有關(guān)機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的經(jīng)典研究成果。在這些可能被遺忘的想法和經(jīng)典智慧中,通過重新審視和借鑒,他們找到了突破當(dāng)前困境的關(guān)鍵:回到最古樸的思路——做寬、做淺。
在方璐看來,回顧經(jīng)典也是回歸科研的初心,放下對潮流的盲從。這種追求初心的態(tài)度使得研究團(tuán)隊能夠不受時代局限,不受潮流影響,始終保持對科學(xué)問題本質(zhì)的關(guān)注和熱情,從而發(fā)現(xiàn)新的思路、提出新的理論。

   太極光芯片的誕生是交叉學(xué)科合作的結(jié)晶,腦科學(xué)研究也為太極光芯片的架構(gòu)研發(fā)提供了重要思路。有腦科學(xué)的研究提出“淺腦理論”,即大腦以淺層扁平架構(gòu)形成大規(guī)模的并行計算單元。從感知到運動,甚至意識,各腦區(qū)都在這個淺層網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著重要作用。“腦科學(xué)的系列成果帶給我們的研究很多啟發(fā)。”方璐補充道。

    “苦熬”芯片

    然而,推翻構(gòu)架僅僅只是個開始。接踵而至的是另一個艱巨的挑戰(zhàn):芯片研制。
    太極光芯片是研究團(tuán)隊歷時3年不懈努力,歷經(jīng)無數(shù)次失敗和挑戰(zhàn)后,所收獲的成果。
    在芯片研發(fā)的漫長征程中,流片是一個至關(guān)重要的里程碑,它標(biāo)志著研究團(tuán)隊的理論概念將要轉(zhuǎn)化為實際可制造的芯片。對于方璐和她的研究團(tuán)隊來說,這個階段充滿期待和焦慮。
    “流片周期通常需要3到6個月,等待芯片加工完成是一件很焦灼的事情。團(tuán)隊希望芯片快點回來,進(jìn)入下一階段的測試;同時又擔(dān)心流片的效果不好。這意味著要從頭再來一遍,時間成本很高。”方璐說。
    研究團(tuán)隊第一次流片時,等待了4個月,結(jié)果不盡如人意。他們不得不從零開始,重新審視每一個細(xì)節(jié),尋找可能存在的問題。經(jīng)過2個月的調(diào)整和優(yōu)化,又等了6個月,第二次流片結(jié)果送回時,團(tuán)隊成員們露出來了開心的笑容。
    在這項研究研究中,太極光芯片的實驗成果是團(tuán)隊共同“苦熬”出來的。
    “為了讓實際實驗結(jié)果達(dá)到理論仿真的預(yù)期,我們不斷調(diào)整和優(yōu)化實驗系統(tǒng)。每一次實驗都是一個漫長而繁瑣的過程。類似的過程重復(fù)‘上演’了百余次,研究團(tuán)隊的目標(biāo)是將千分類智能任務(wù)的準(zhǔn)確率做到90%,最終以超出預(yù)期的結(jié)果結(jié)束了這場‘持久戰(zhàn)’。
 
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方璐(左一)和課題組學(xué)生(中間為徐智昊)在實驗室。杜珊妮攝

    挑戰(zhàn)傳統(tǒng)

    2023年9月,團(tuán)隊第一時間投稿給了Science編輯部。論文在3天后送審,1個多月后,研究團(tuán)隊就收到了第一輪審稿意見。
    “審稿人對太極光芯片的架構(gòu)思路產(chǎn)生了意見分歧。深度學(xué)習(xí)發(fā)展至今,深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為主流的智能計算架構(gòu)。”方璐說。
    研究團(tuán)隊堅持自己的觀點,用更多的理論和實驗證據(jù)說服審稿人。第二輪審稿結(jié)束后,他們的論文被順利接收了。
    今年是方璐從事科學(xué)研究的第17年:她本科畢業(yè)于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),博士畢業(yè)于香港科技大學(xué),現(xiàn)任清華大學(xué)電子工程系長聘副教授。

    大規(guī)模光電智能計算是方璐團(tuán)隊一以貫之的研究目標(biāo),整個團(tuán)隊為實現(xiàn)這一目標(biāo)構(gòu)建了縱向并行、橫向聯(lián)網(wǎng)的路徑規(guī)劃。

    “團(tuán)隊成員都有各自獨立的研究問題,在并行探索路徑的同時,彼此之間也會進(jìn)行交叉合作,開展原創(chuàng)思想的交流碰撞。‘路漫漫其修遠(yuǎn)兮’,研究團(tuán)隊將會不忘初心,在大規(guī)模智能光計算的路徑上持之以恒地求索。目前我們正在搭建芯片的應(yīng)用系統(tǒng),為產(chǎn)業(yè)化提供可行的方案。”方璐補充道。

論文鏈接:

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adl1203

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