近日，國家信息光電子創新中心、光通信技術和網絡全國重點實驗室、鵬城實驗室聯合研發出多功能可編程的光電融合門陣列系統（P-FPGA）——LightIN。該系統由可編程光子芯片、電子控制模塊和測試—編譯—調節（TCA）智能配置框架組成，可實現光子計算加速、信號處理、網絡交換和安全加密等多種功能。相關成果發表于 Nature 子刊 Light: Science & Applications 15：165。

隨著人工智能模型規模不斷擴大，傳統電子計算集群在功耗、存儲、互連和速度等方面面臨瓶頸。論文指出，硅光子技術因具備高速、低時延、大帶寬和CMOS兼容等特點，已在數據傳輸中得到廣泛應用，并被積極探索用于AI集群中的光計算。然而，現有硅光集成芯片普遍存在功能適配性不足、軟硬件協同不夠等問題。

LightIN的核心是一枚采用SOI工藝制造的硅基集成光子芯片，采用4×4方形循環網格拓撲，集成40個可編程單元（共計160余個器件）。研究團隊自研TCA智能配置框架，在無需片內監測光電探測器的條件下，實現了芯片功能的高效配置與可靠調節。

在計算加速方面，LightIN實現了4×4雙向酉矩陣和3×3非酉矩陣乘法，計算速度超過1.92TOPS，計算精度超過6.22比特，光子核心能效達到1.875pJ/MAC。基于該系統構建的神經網絡在Iris數據集上的在線推理準確率達到93.33%，總時延低于260皮秒。這意味著AI大模型訓練中海量的矩陣運算任務，可通過光電子方式實現極低延遲的數據處理。在信號處理方面，LightIN可用于微環調制器自動波長鎖定，支持5至32Gb/s的NRZ調制系統。實驗結果顯示，在25℃和35℃環境下，該系統均能保持17dB以上信噪比和7以上Q因子，驗證了其在光I/O穩定運行中的應用潛力。在光交換方面，研究團隊在LightIN上實現了4×4通道交換，在1560nm中心波長處端口間串擾最低可達-45dB，為數據中心互聯提供了高可靠解決方案。在安全加密方面，團隊在LightIN上實現了硅基光子物理不可克隆功能，其芯片內漢明距離為1.7%，芯片間漢明距離為50.15%，這如同為每臺設備賦予了獨一無二的“光子指紋”，為AI集群的數據傳輸提供了硬件級安全保障，有效抵御外部攻擊。

LightIN證明了單芯片實現計算加速、信號處理、光交換和安全加密等多功能集成的可行性，并為大規模光子集成電路和光電子融合AI集群的發展奠定了基礎。

作為我國光電子信息領域的龍頭企業，中國信科集團長期深耕硅基光電子芯片技術研發和創新應用研究。此次LightIN系統的成功研發，驗證了可編程光子芯片在多功能集成方面的工程可行性，更為下一代光電子AI集群建設奠定了核心基礎，將為數字經濟發展注入強勁的“光子動力”。