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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算一体融合架构与光电协同计算.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算一体融合架构与光电协同计算
摘要
光子存算一体融合架构将光子计算的高带宽、低延迟优势与存算一体架构的低数据搬运开销相结合，被认为是在后摩尔时代突破传统电子芯片算力与能耗瓶颈的重要技术路线。本文基于光本位科技256×256光子存内计算芯片的技术突破，深入分析了光子存算一体融合架构的核心原理——包括硅光-相变材料异质集成工艺、Crossbar光子矩阵架构和光电协同计算范式。光子存算一体芯片通过将计算权重存储在相变材料的光学特性中，利用光子信号的并行性实现大规模矩阵乘法的超低延迟计算，在AI推理任务中能效比达到传统电子GPU方案的10倍以上。本文从器件集成、架构设计和系统协同三个维度，系统性分析了光子存算一体融合架构的技术路径与产业化前景。
一、光子存算一体架构的基本原理
1.1 光子存内计算机制
光子存内计算利用相变材料（PCM）在晶态和非晶态之间的光学特性差异存储权重数据。输入数据经过电光调制器转换为光信号强度，光信号通过硅光波导传输到PCM阵列，PCM单元根据其晶态/非晶态状态对光信号进行衰减，实现输入与权重的乘法运算。多个波导的输出通过光合束器完成加法运算，最终通过光电探测器转换为电信号。
1.2 光电协同计算范式
在光子存算一体芯片中，光子部分负责矩阵乘法等计算密集型任务，电子部分负责控制逻辑、数据预处理和结果后处理。两者之间通过高速光电转换接口（O/E和E/O转换）交互，实现光电协同计算。
二、架构设计
2.1 硅光-相变材料异质集成
芯片采用硅光工艺平台制造光波导、调制器和探测器，PCM材料通过后道工艺沉积在硅光波导上方。PCM的集成工艺与CMOS后道工艺兼容，可在标准硅光工艺线上完成。
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