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與鵬城實驗室聯合宣布，成功研發出全球領先的多功能可編程光電融合門陣列系統“LightIN”，相關成果已發表于《自然》子刊《光：科學與應用》。該系統通過集成可編程光子芯片、電子控制模塊與智能配置框架，首次在單芯片上實現了計算加速、信號處理、光交換和安全加密四大核心功能，為人工智能集群的光電子融合提供了突破性解決方案。
面對人工智能模型規模指數級增長帶來的算力瓶頸，傳統電子計算集群在功耗、帶寬和時延等關鍵指標上已接近物理極限。研究團隊指出，硅光子技術憑借其與CMOS工藝兼容、超低時延和超大帶寬的優勢，成為突破計算瓶頸的關鍵路徑。然而，現有硅光芯片普遍存在功能固化、軟硬件協同效率低等問題，難以滿足AI集群對靈活性和通用性的需求。LightIN系統的創新之處在于，通過可編程架構設計打破了這一局限，其核心是一枚基于絕緣體上硅（SOI）工藝制造的4×4方形循環網格光子芯片，集成40個可編程單元和160余個光電器件，配合自主研發的測試-編譯-調節（TCA）智能框架，實現了芯片功能的動態重構與高效配置。
在性能驗證中，LightIN展現出多維度的技術突破。計算加速方面，該系統支持4×4雙向酉矩陣和3×3非酉矩陣乘法運算，峰值算力達1.92TOPS，能效比高達1.875皮焦/每乘加操作（pJ/MAC），基于其構建的神經網絡在鳶尾花數據集上實現93.33%的推理準確率，總時延低于260皮秒。信號處理領域，系統成功應用于微環調制器的自動波長鎖定，在5至32Gb/s的NRZ調制系統中，25℃至35℃溫變環境下仍保持17dB以上信噪比和7以上的Q因子，驗證了其在光輸入/輸出接口的穩定性。光交換測試中，4×4通道交換在1560nm波長下實現-45dB的端口間串擾，為數據中心互聯提供了低損耗、高隔離度的解決方案。更引人注目的是安全加密功能，通過硅基光子物理不可克隆技術，每枚芯片生成獨特的“光子指紋”，芯片內漢明距離僅1.7%，而芯片間差異達50.15%，可有效抵御側信道攻擊和數據篡改。
作為該項目的牽頭單位，中國信科集團在硅基光電子領域已布局十余年，其研發的芯片制造工藝與系統集成技術達到國際先進水平。LightIN系統的問世，不僅驗證了可編程光子芯片在多功能集成領域的工程可行性，更通過單芯片架構大幅降低了光電子系統的復雜度和成本。據測算，該技術可使AI集群的能耗降低30%以上，同時將矩陣運算速度提升至納秒級，為自動駕駛、實時金融交易等對時延敏感的場景提供了硬件支撐。目前，研究團隊正與多家頭部企業合作，推進LightIN在超算中心和5G基站等場景的產業化應用，預計三年內形成規模化產能。
