前沿摘要

近日，来自中国信息通信科技集团有限公司、国家信息光电子创新中心和鹏城实验室的研究团队在《光：科学与应用》期刊上发表了一项重磅研究成果(https://doi.org/10.1038/s41377-026-02209-5)。他们成功研发出一种名为LightIN的硅基光子可编程门阵列芯片，这是全球首个能在单一芯片上实现计算加速、信号处理、光路交换和安全加密四大功能的可编程光子处理器，为未来光电融合的AI集群奠定了坚实基础。

核心突破

想象一下，如果传统的专用光子芯片是一把只能打开一扇门的钥匙，那么LightIN就是一把可以打开无数扇门的万能钥匙。这款芯片集成了40个可编程单元和超过160个光电子元件，通过研究团队独创的“测试-编译-调整（TCA）”智能配置框架，实现了四大核心功能： 

 1.AI计算加速：速度惊人，能耗极低 

LightIN在芯片上实现了4×4双向酉矩阵和3×3非酉矩阵乘法，计算速度超过1.92万亿次操作每秒（TOPS），而每次乘累加操作（MAC）的能耗仅为1.875皮焦耳。更令人惊叹的是，研究团队将其配置为神经网络，对鸢尾花数据集进行图像识别，整个识别过程仅需260皮秒（1皮秒=万亿分之一秒），识别准确率与电子芯片相当。 

这是什么概念？相当于在一眨眼的工夫（约300毫秒）里，LightIN可以完成超过10亿次图像识别！ 

 2.光I/O信号处理：自动锁定波长，稳定传输 

随着电互连逼近带宽距离极限，基于微环调制器的光I/O成为AI集群内部长距离、高带宽传输的理想方案。但微环调制器对温度极其敏感，微小波动就会导致信号质量下降。 

LightIN首次展示了利用可编程光子芯片实现微环调制器自动波长锁定的功能。在5至32Gb/s的传输速率下，芯片能自动调整微环的工作点，确保信号始终保持高信噪比。实验表明，在25°C到35°C的温度变化下，LightIN都能自动锁定最佳工作波长，获得清晰的眼图。 

 3.光路交换：超低串扰，高效路由 

在大规模AI集群中，数据如何在成千上万个节点间高效传输是一大挑战。LightIN实现了4×4光子通道交换，通道间串扰低至-44dB，在超过20纳米的带宽范围内串扰始终低于-15dB。 

这意味着不同通道之间的信号几乎完全隔离，不会相互干扰，就像在拥挤的数据高速公路上开辟了多条互不干扰的专用车道。 

 4.安全加密：物理不可克隆，天生唯一 

数据安全是AI集群的命脉。研究团队在LightIN上实现了光子物理不可克隆函数（PPUF），利用芯片制造过程中不可避免的微小差异，为每个芯片生成独一无二的“指纹”。 

实验数据显示，不同芯片间的响应差异（汉明距离）达到50.15%（理论最优值50%），同一芯片在不同时间测量的响应稳定性高达97.45%。这种基于物理特性的加密方式，比传统的存储在非易失性存储器中的密钥更安全，能有效抵御外部攻击。

研究意义

这项研究的价值不仅在于创造了一个功能强大的芯片，更在于它为未来AI计算架构提供了全新的思路。 

 从专用走向通用 

传统的光子集成电路多为专用芯片，功能单一，开发周期长、成本高。LightIN作为光子领域的“FPGA”，可以像电子FPGA一样通过编程实现不同功能，大大缩短了从设计到应用的周期，降低了开发门槛。 

 软硬件协同设计 

研究团队开发的TCA框架，为光子芯片提供了系统级的智能配置方案。这种软硬件协同设计的理念，解决了当前光子芯片“硬件强、软件弱”的痛点，使得复杂的光子电路能够被高效、可靠地编程和控制。 

 为光电融合AI集群铺路 

在目前的AI集群中，电子芯片负责计算，光模块负责传输，两者之间存在大量的光电转换开销。LightIN展示了一个愿景：让数据在光域中既计算又传输，避免频繁的光电光转换，从而大幅提升能效和速度。 

未来，当光存储和光控制技术进一步成熟后，全光处理系统将成为可能。而LightIN这样的可编程光子芯片，正是迈向这一目标的关键一步。

图1：硅光子处理系统LightIN及其在AI集群中的应用

图2：在LightIN上实现的光学计算实验系统与结果

图3：基于LightIN的MRMs在光I/O中自动波长锁定的实验系统与结果

图4：在LightIN上实现的光学交换实验系统与结果

图5：在LightIN上实现的光子物理不可克隆函数（PPUF）实验系统与结果

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