据中国信科集团消息，近日，该集团光通信技术和网络全国重点实验室联合国家信息光电子创新中心、鹏城实验室联合研发出多功能可编程的光电融合门阵列系统（P-FPGA）——LightIN。该系统由可编程光子芯片、电子控制模块和测试—编译—调节（TCA）智能配置框架组成，可实现光子计算加速、信号处理、网络交换和安全加密等多种功能。

在过去的半个多世纪中，微电子技术作为信息产业的核心驱动力，其发展主要遵循摩尔定律所预示的晶体管尺寸持续缩减路径。然而，该技术路径目前正面临两大严峻挑战：一是逼近原子尺度的物理学极限，二是急剧攀升的研发与制造成本。这两大因素共同导致以尺寸缩减为核心的传统模式已不可持续，摩尔定律正趋于终结。以光子为信息载体的集成光子技术，因其高带宽、低延迟与低功耗的天然优势，为后摩尔时代的信息处理注入了新的活力。

光电融合芯片指利用半导体工艺将光子器件与电子器件集成在同一芯片上所实现的融合技术，所使用的光器件并不限于硅光器件，也可以是基于III⁃V族材料的光器件。硅光芯片是利用硅或与硅兼容的其他材料，应用硅工艺，在同一硅衬底上同时制作若干微纳量级、以光子和/或电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片，是光电融合芯片的一个分类。

此次LightIN的核心是一枚采用SOI工艺（基于特殊衬底材料的半导体制造工艺）制造的硅基集成光子芯片，采用4×4方形循环网格拓扑，集成40个可编程单元（共计160余个器件）。研究团队自研TCA智能配置框架，在无需片内监测光电探测器的条件下，实现了芯片功能的高效配置与可靠调节。

在光交换方面，研究团队在LightIN上实现了4×4通道交换，在1560nm中心波长处端口间串扰最低可达-45dB，为数据中心互联提供了高可靠解决方案。

在计算加速方面，LightIN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1.92TOPS，计算精度超过6.22比特，光子核心能效达到1.875pJ/MAC。基于该系统构建的神经网络在Iris数据集上的在线推理准确率达到93.33%，总时延低于260皮秒。这意味着AI大模型训练中海量的矩阵运算任务，可通过光电子方式实现极低延迟的数据处理。

在安全加密方面，团队在LightIN上实现了硅基光子物理不可克隆功能，其芯片内汉明距离为1.7%，芯片间汉明距离为50.15%，这如同为每台设备赋予了独一无二的“光子指纹”，为AI集群的数据传输提供了硬件级安全保障，有效抵御外部攻击。

在信号处理方面，LightIN可用于微环调制器自动波长锁定，支持5至32Gb/s的NRZ调制系统。实验结果显示，在25℃和35℃环境下，该系统均能保持17dB以上信噪比和7以上Q因子，验证了其在光I/O稳定运行中的应用潜力。

相关成果已发表在国际权威期刊《Light:Science&Applications》上，这一突破证明了单芯片实现多功能集成的工程可行性。对于我国而言，这不仅验证了可编程光子芯片的技术路线，更为下一代光电子AI集群的建设奠定了核心基础。

信息来源：中国信科

（半导体在线/山川）

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