一块拇指大小的透明玻璃片，竟能在其中构建起一座“光路立交桥”，让光在三维“迷宫”中完成人工智能计算——这一看似科幻的场景，已在湖北光谷实验室成为现实。

5月12日，长江日报记者实地探访获悉，由华中科技大学武汉光电国家研究中心和光谷实验室张新亮教授团队、董建绩教授团队，联合上海交通大学唐豪教授团队，成功研制出全球首款可编程三维光子神经网络芯片。

突破平面局限，在玻璃内部“雕刻”立体光路

随着AI大模型等应用对算力需求的持续激增，传统电子芯片在能耗、数据互连与搬运等方面面临日益严峻的挑战。光子芯片则另辟蹊径，让部分计算直接在光传播过程中完成，具备速度更快、功耗更低的天然优势。

“传统平面光子芯片好比地面车道，输入、输出通道越多，芯片面积就会按平方倍暴增。”董建绩教授团队成员、华中科技大学博士生曹子榆介绍，处理一张二维图像时，平面芯片需将其“拆解”成一长串信号，效率大打折扣。

为破解这一难题，团队采用飞秒激光直写技术，在玻璃芯片内部直接“雕刻”出三维波导网络，并集成74个微型加热器，实现对光信号传输路径的可编程控制。

“这就像在玻璃内部搭建了一座光路立交桥。”曹子榆说，芯片内部实现了高架、隧道、地面三层互通，光信号可以上下左右自由穿梭，输入与输出可处于不同平面，互连在第三个维度完成。这样一来，芯片面积仅需随通道数线性增长，大幅提升了集成效率。

高性能+可编程，一块芯片适配多种任务

实验数据显示，该芯片理论计算吞吐量高达6554 TOPS（每秒万亿次操作）。在手写数字识别任务中，准确率超过93%；光学图案生成的相似度超过94%。

更关键的是可编程能力。“固定结构的光子芯片通常只能完成预设功能，而我们的芯片加入了可编程调控功能。”曹子榆表示，同一块芯片经过训练后，可以适配不同的计算任务——硬件结构不变，光在其中完成的计算可被重新配置，从而大幅减少反复设计和制造芯片的成本。

从数据中心到航天器，应用前景广阔

这款“玻璃光脑”将率先在何处落地？曹子榆认为，数据中心内的AI推理是最先可能的应用场景。“未来的算力中心不一定只靠电子芯片‘硬跑’，光会承担越来越多的角色，包括高速互连和计算核心等。我们关注的是，在光电融合系统中，让计算由光更高效地完成。”

由于光子芯片天然支持二维图像的并行处理，其在自动驾驶、医疗影像、航空航天等领域也展现出巨大潜力。曹子榆补充说：“光信号本身对电磁干扰不敏感，这让光子芯片在复杂环境中具有潜在优势。未来，如果能将低功耗、快响应和片上图像处理结合起来，光子芯片在卫星、空间站等场景中也有望得到应用。”

据介绍，目前已有企业与团队初步接洽，关注该技术在先进封装和AI推理硬件中的潜在应用。团队计划在一年内研制出千通道级光子芯片。

“8年前，我填报光电类专业，就是冲着武汉光谷来的。”曹子榆笑着说，“我们团队所在的武汉光电国家研究中心、光谷实验室多年积累的平台、人才和影响力，是我们能走到这一步的基础。我期待未来从光谷‘走’出去的光子芯片，能站在AI算力系统的核心位置。”

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