清華大學(xué)電子系陳宏偉課題組在集成光計(jì)算領(lǐng)域取得進(jìn)展

機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于高性能信息處理領(lǐng)域，與此同時(shí)，在解決各類復(fù)雜任務(wù)時(shí)對(duì)于計(jì)算容量、計(jì)算速度以及能耗等的要求也越來(lái)越高。然而，現(xiàn)有硬件的計(jì)算速度受到傳統(tǒng)馮·諾依曼體系結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重限制，隨著計(jì)算過(guò)程所需時(shí)間的增長(zhǎng)，計(jì)算效率將變得低下，能耗也會(huì)更大。近年來(lái)，光子方法在執(zhí)行涉及復(fù)雜計(jì)算的深度學(xué)習(xí)過(guò)程方面顯示出了非凡潛力，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)陸續(xù)提出了集成光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新架構(gòu)，如基于馬赫增德?tīng)柛缮鎯x（MZI）、微環(huán)諧振腔（MRR）以及波分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。然而，現(xiàn)階段集成光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)普遍存在計(jì)算單元大規(guī)模拓展受限的問(wèn)題，嚴(yán)重限制了計(jì)算容量的進(jìn)一步提高。

清華大學(xué)電子系陳宏偉教授課題組提出了一種基于亞波長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的集成衍射光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DONN），克服了空間衍射光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的體積限制，不僅大大提高了計(jì)算單元的集成度，同時(shí)減少了由于龐大的體光學(xué)元件和系統(tǒng)校準(zhǔn)而產(chǎn)生的誤差。對(duì)于其他集成光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言，DONN 芯片擺脫了波導(dǎo)數(shù)目的制約，更容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算單元的片上大規(guī)模拓展，從而解決了集成光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的高計(jì)算容量問(wèn)題。本研究中實(shí)現(xiàn)的 DONN 光計(jì)算芯片，其計(jì)算吞吐量可達(dá) 1.38×104TOPS（TOPS：Trillions of operations per second，每秒萬(wàn)億次操作），芯片算力密度可達(dá) 1016FLOPS/mm2（FLOPS：Floating-point operations per second，每秒浮點(diǎn)操作數(shù)），能量消耗約為 10-17J/FLOP（FLOP：Floating-point operation，浮點(diǎn)操作）。該 DONN 芯片具有完全的國(guó)內(nèi)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，制備工藝也完全在國(guó)內(nèi)實(shí)現(xiàn)，與標(biāo)準(zhǔn)互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝兼容，滿足大規(guī)模、低成本生產(chǎn)條件。

陳宏偉課題組系統(tǒng)性地完成了集成衍射光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的理論探索、仿真驗(yàn)證、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、版圖繪制、芯片加工、封裝以及系統(tǒng)誤差補(bǔ)償?shù)热^(guò)程驗(yàn)證。該成果將集成光子神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)芯片的實(shí)用性顯著提高，有望在一個(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)多個(gè) DONN 計(jì)算單元的集成，從而使得片上光計(jì)算系統(tǒng)具有更強(qiáng)的處理能力，這將大大推動(dòng)集成光計(jì)算、光子智能等領(lǐng)域的快速發(fā)展。

圖 2. DONN 封裝實(shí)物圖、芯片結(jié)構(gòu)及測(cè)試結(jié)果

該成果以「基于片上衍射光學(xué)的光子機(jī)器學(xué)習(xí)」（Photonic machine learning with on-chip diffractive optics）為題發(fā)表在《自然?通訊》（Nature Communications）上。

電子工程系 2020 級(jí)博士生符庭釗為文章的第一作者，陳宏偉教授為文章通訊作者。其他作者包括清華大學(xué)電子工程系陳明華教授和楊四剛副研究員等。本研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目等的支持。

清華大學(xué)電子系盛興課題組合作開(kāi)發(fā)出三維光電生物活性支架

開(kāi)發(fā)新型的神經(jīng)調(diào)控技術(shù)，對(duì)單個(gè)神經(jīng)元或者特定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)、精確地激活和/或抑制，對(duì)于深入理解大腦的運(yùn)行機(jī)理、開(kāi)發(fā)神經(jīng)疾病治療手段等都具有重要的意義。生物支架在組織修復(fù)、疾病治療等生物醫(yī)學(xué)工程技術(shù)中扮演著極其重要的角色。

傳統(tǒng)的生物支架主要起著力學(xué)支撐的作用，生物功能較為單一，為了提高其生物活性，往往需要添加生長(zhǎng)因子、藥物等生物化學(xué)物質(zhì)。然而，生物化學(xué)物質(zhì)在體內(nèi)的釋放過(guò)程中面臨著可控性差，時(shí)空分辨率低以及時(shí)效性短等問(wèn)題。相比較而言，基于光電信號(hào)等物理場(chǎng)的生物調(diào)控方式具有可控性好、時(shí)空分辨率高、作用周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，使其在生物調(diào)控等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

圖 1. 三維光電生物支架示意圖

近日，清華大學(xué)電子工程系盛興副教授課題組與合作者開(kāi)發(fā)了一種具備光電功能的新型生物活性支架，研究者將薄膜單晶硅器件與有機(jī)生物材料集成，結(jié)合微納加工技術(shù)，制備了具有多層級(jí)結(jié)構(gòu)、仿天然骨組織的三維光電生物支架。在光照情況下，薄膜單晶硅器件可產(chǎn)生電信號(hào)，能夠刺激并調(diào)控骨髓干細(xì)胞的活動(dòng)，并進(jìn)一步促進(jìn)動(dòng)物缺損顱骨組織的修復(fù)與再生。與傳統(tǒng)電刺激方式相比，這種無(wú)線的光電刺激方式可以減少導(dǎo)線連接對(duì)周圍組織造成損傷。此外，包含薄膜硅的支架結(jié)構(gòu)可以在生物體內(nèi)安全降解，具備良好的生物相容性，能夠避免二次手術(shù)，降低感染的風(fēng)險(xiǎn)。這種可生物降解、無(wú)線遠(yuǎn)程供能、具備光電活性的新型生物支架，為組織工程研究和臨床應(yīng)用開(kāi)辟了新思路。

圖 2. 三維仿生光電生物支架及其生物可降解特性

研究團(tuán)隊(duì)將薄膜硅器件與骨髓干細(xì)胞、生物組織等結(jié)合，構(gòu)建了光電生物界面，在不需要引入光遺傳學(xué)等基因編碼工具條件下，借助光照時(shí)硅與細(xì)胞界面處產(chǎn)生的極化光生電場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)骨髓干細(xì)胞膜電位、胞內(nèi)鈣離子活動(dòng)、增殖分化等生理活動(dòng)的有效調(diào)控。

圖 3. 薄膜硅器件的光電響應(yīng)及其對(duì)干細(xì)胞膜電位和鈣離子濃度的光電調(diào)控作用

進(jìn)一步，研究人員將薄膜單晶硅器件與羥基磷灰石等生物材料集成，制備了仿天然骨組織的三維生物支架，利用薄膜硅賦予支架光電活性，使其具備光電響應(yīng)功能。在活體動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中，三維光電生物支架被植入大鼠顱骨缺損部位，利用支架的光電刺激作用，有效地促進(jìn)了顱骨組織的修復(fù)與再生，完成了光電生物支架系統(tǒng)在生物醫(yī)療領(lǐng)域的驗(yàn)證與應(yīng)用。

圖 4. 光電生物支架促進(jìn)大鼠顱骨修復(fù)

該研究成果以「三維仿生光電生物支架促進(jìn)顱骨修復(fù)」（A 3D Biomimetic Optoelectronic Scaffold Repairs Cranial Defects）為題發(fā)表于《科學(xué)·進(jìn)展》（Science Advances）。

文章的共同通訊作者為清華大學(xué)電子工程系、清華-IDG/麥戈文腦科學(xué)研究院盛興副教授和北京大學(xué)口腔醫(yī)學(xué)院副主任醫(yī)師王宇光，第一作者為清華大學(xué)電子工程系博士生王華春，合作者來(lái)自北京協(xié)和醫(yī)院，北京大學(xué)口腔醫(yī)院，積水潭醫(yī)院，清華大學(xué)電子工程系、材料學(xué)院、生命科學(xué)學(xué)院等單位。該研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金、北京市自然科學(xué)基金、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、清華大學(xué)電子系自主科研項(xiàng)目、清華大學(xué)新型陶瓷與精細(xì)工藝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室等項(xiàng)目的支持。