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面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的光子存内计算芯片与硅光相变材料异质集成.docx

资料介绍

面向存算一体芯片的模拟计算阵列中存算一体芯片的光子存内计算芯片与硅光相变材料异质集成

摘要

光子计算利用光子而非电子作为信息载体,具有高带宽、低延迟和低功耗的天然优势,被认为是后摩尔时代突破传统电子算力瓶颈的关键技术路线之一。本文基于光本位科技在2026WAIC上发布的256×256矩阵规模光子存内计算芯片,分析了光子存内计算的架构原理与硅光-相变材料异质集成工艺。该芯片采用硅光与相变材料(PCM)异质集成的Crossbar光子矩阵架构,将计算与存储功能深度集成,在单颗芯片上实现256×256矩阵规模的并行处理,算力密度和计算精度均达到全球领先水平。本文从光子矩阵计算原理、PCM非易失存储特性、玻璃基衬底创新和系统集成四个维度,系统性分析了光子存内计算芯片的技术路径。

一、光子存内计算的基本原理

1.1 光子矩阵乘法的物理实现

在光子存内计算芯片中,输入数据通过电光调制器转换为光信号的强度或相位编码,权重数据存储在相变材料(PCM)阵列中,通过PCM的晶态/非晶态光学特性差异实现乘法运算。光信号在波导中传播,通过Crossbar阵列完成矩阵乘法——每个交叉点处的PCM单元根据其状态对光信号进行衰减,实现输入与权重的乘法,多个波导的输出通过光合束器完成加法运算。

1.2 PCM的非易失存储特性

相变材料(如GST)在晶态和非晶态之间具有极大的光电特性差异,晶态下光吸收率低、透射率高,非晶态下光吸收率高、透射率低。通过电脉冲加热PCM单元,可以在晶态和非晶态之间可逆切换,实现多值数据的非易失存储。PCM的非易失特性使得芯片在待机状态下功耗趋近于零。


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