近年來，人工智能和物聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展推動(dòng)了計(jì)算需求的激增。然而，根據(jù)摩爾定律預(yù)測,傳統(tǒng)的電子計(jì)算的性能正接近極限,該定律預(yù)測大約每兩年在微型芯片上的晶體管將翻一番。因此需要尋找新的計(jì)算范式，以滿足對速度、規(guī)模和能效的日益增長的需求。光計(jì)算是一個(gè)有前途的解決方案,它利用光的獨(dú)特屬性來進(jìn)行計(jì)算。
東京大學(xué)信息光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在光計(jì)算領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展，他們開發(fā)了一種名為“衍射投射”的新型光學(xué)計(jì)算結(jié)構(gòu),該方法基于光的空間平行性概念（這一原則在1980年代被首次探索,被稱為“陰影投射”）。傳統(tǒng)陰影投射受限于對幾何光學(xué)的依賴,限制了它的靈活性和集成能力。
衍射投射技術(shù)在陰影投射的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。陰影投射是基于光線與不同幾何形狀的相互作用，而衍射投射則是基于光波本身的特性，因此基于衍射投射就產(chǎn)生了空間效率更高、功能更靈活的光學(xué)元件，這些元件可以按照通用計(jì)算機(jī)所期望和要求的方式進(jìn)行擴(kuò)展。研究人員通過訓(xùn)練多層衍射光學(xué)元件，以利用光的空間平行性和波動(dòng)特性,如衍射和干涉。這使得可以實(shí)現(xiàn)具有高靈活性和集成能力的可擴(kuò)展和并行邏輯運(yùn)算。無需對輸入和輸出進(jìn)行編碼和解碼，只更改照明模式即可更改運(yùn)算。
衍射投射的數(shù)值實(shí)驗(yàn)已經(jīng)展示出驚人的結(jié)果，在兩個(gè)任意的256位并行二進(jìn)制輸入上實(shí)現(xiàn)了所有十六種邏輯運(yùn)算，且無錯(cuò)誤，速度達(dá)到光速。該架構(gòu)在可擴(kuò)展性和集成方面具有顯著的優(yōu)勢,使其成為下一代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)有潛力的解決方案。它的靈活性和可重構(gòu)性使其可能應(yīng)用到圖像處理、光學(xué)計(jì)算加速器等各種領(lǐng)域。
這項(xiàng)研究旨在通過空間并行性作為未來計(jì)算系統(tǒng)的組成部分來展示光學(xué)計(jì)算的潛力。它還為一種新的信息處理框架奠定了基礎(chǔ)，該架構(gòu)將成像、傳感和計(jì)算集成在一起，并可能擴(kuò)展到各種領(lǐng)域。
（天津津航技術(shù)物理研究所 張寧寧）
