据中国激光杂志社网，于2024年01月30日报道，华中科技大学国家光电研究中心董建绩教授课题组在基于微环阵列的集成光子卷积加速芯片方面取得了进展，提出了一种基于自校准功能的可重构 MRR 阵列的可扩展的光学卷积加速核（PCAC），结合现场可编程门阵列（FPGA）控制，该系统能以光速进行高精度计算，在保持极低功耗的同时实现 7 位精度。
研究背景
可穿戴设备以其便携性和强大的人机交互能力为特点，长期以来一直代表着技术和创新的未来。在可穿戴设备领域，许多识别任务都依赖于机器视觉，如车辆检测、人体姿势识别和面部识别。这些应用主要依靠深度学习算法的前向传播来完成分类和识别任务。然而，随着这些应用的复杂性不断增加，摩尔定律已经接近极限，可穿戴设备对计算能力、低功耗、低发热量和高效率的要求也越来越高，这对传统的电子计算提出了挑战，研究一种替代解决方案势在必行。
近年来，光学神经网络（ONNs）研究已成为解决电子计算瓶颈的潜在突破性解决方案。通过将神经网络的数学模型映射到模拟光学设备上，光神经网络可以实现优于电子计算的计算能力，因为光传输网络具有超低功耗和最小发热量的潜力，这使其非常适合满足可穿戴设备的能耗和散热要求。目前研究的一些方法由于在集成度、发热量等方面存在不足，对于满足未来可穿戴设备的要求并没有很大的优势。相比之下，使用微环谐振器（MRR）的阵列方法由于结构紧凑、易于集成，并且可在参数配置过程中通过一对一赋值进行高精度复杂计算，能够适用于小尺寸和大规模应用，展现了在可穿戴设备领域应用的较大潜力。
本文亮点
最近，华中科技大学国家光电研究中心由董建绩教授带领的课题组在基于微环阵列的集成光子卷积加速芯片方面取得了进展，相关成果以“Integrated photonic convolution acceleration core for wearable devices”为题发表在卓越新刊Opto-Electronic Science 2023年第12期，收录于“Digital and Intelligent Optics”专题。该工作提出了一种基于自校准功能的可重构 MRR 阵列的可扩展的光学卷积加速核（PCAC）。该系统通过对于多波长光信号的复用与MRR上的权重矩阵完成乘法运算，在课题组开发的自校准 MRR 阵列的作用下，通过使用平衡光电探测器 (BPD) 进行加权求和而得到最终计算结果，并将光功率差值重建输出得到卷积结果 。结合现场可编程门阵列（FPGA）控制，该系统能以光速进行高精度计算，在保持极低功耗的同时实现 7 位精度。在并行处理中，它的峰值吞吐量也达到了 3.2 TOPS（每秒 Tera 运算）。
基于上述系统，该工作制造了 4×4 MRR 阵列的概念验证 PCAC 芯片，并成功使用芯片进行了图像边缘提取测试，以及 AR 和 VR 设备等典型可穿戴应用中的光电计算实验：基于深度信息的第一人称视角手势识别。通过用并行光电卷积计算取代电子计算，该工作实现了高效、高精度的计算。图 2(a) 展示了应用中使用的卷积神经网络（CNN）的主要结构。输入图像被重塑为三行数据，并流入 PCAC 芯片，第一层的卷积运算完全由 PCAC 芯片完成。图 2(b) 显示了 PCAC 芯片计算出的十个手势的识别结果的概率条形图。在 0-9 位数字的 10 个识别样本中，除了第 2、3 和 8 位数字的识别概率分布有主峰和次峰外，其余数字的识别概率分布均为单峰。这表明 PCAC 芯片可以完成准确的识别任务。在使用 PCAC 芯片进行光电计算时，所有盲测图像的识别准确率与电子计算的识别准确率相同，表明PCAC 芯片成功实现了卷积运算，并完全可以在低功耗、高速度、高准确度的优势下完成可穿戴识别应用。
图3进一步研究 PCAC 芯片在计算任务中的性能，比较了使用 PCAC 进行卷积计算得到的实验结果和使用数字计算机识别手势 2 得到的理论结果。除了实验噪音导致的一些背景颜色变化外，PCAC 芯片进行卷积计算后得到的结果与计算机得到的结果几乎完全相同。分析结果表明，与理论计算结果相比，PCAC 芯片在计算任务中表现出很高的准确性和稳定性，展现了其作为加速器在高度低能耗条件下完成识别和分类任务巨大潜力，为可穿戴设备的进一步发展提供了有效的光学方案。
该工作得到国家自然科学基金（U21A20511）、光谷实验室创新项目（批准号：OVL2021BG001）的资助。
研究团队简介
华中科技大学武汉光电国家研究中心董建绩教授课题组长期从事集成光计算、集成微波光子学等方面的研究工作，研究采用光学手段研究各类计算问题和微波信号处理问题，突破微波处理和电子计算中的瓶颈，实现算力提升、能耗降低、带宽增大和尺寸减小。在光计算方面，重点研究以人工智能为代表的光子模拟计算系统及其应用、通用型全光数字计算系统、通用型光电混合数字计算系统及其应用。目前课题组在光电子领域主流期刊发表论文100余篇，包括2篇Nature Communications、3篇Light Science & Applications、2篇Physical Review Letters和1篇Optica，3篇入选ESI高被引论文，在国际学术会议作邀请报告近50次。近五年承担国家自然科学基金、重点研发计划等项目。
