(该文章转自“香港中文大學CUHK”微信公众号)

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随着AI技术快速发展，现代AI系统已不再局限于单一电脑或数据中心内运行。目前不少大型生成式AI模型，往往需要成千上万的图像处理器（GPU）和专用加速器，分布于不同地点同步运作。要让这些系统高效运行，各个计算单元之间必须能够快速、稳定地交换大量数据。因此，除了计算能力本身，高频宽、低延迟及低功耗的通讯技术，已成为AI发展不可或缺的关键因素。

香港中文大学（港中大）领导的研究团队成功研发出一种新型集成式全光讯号处理器（all-optical signal processor，OSP），以应对下一代人工智能（AI）系统对数据传输的庞大需求，尤其适用于多个数据中心之间的高速连接。

相关成果已发表于国际顶级学术期刊《Science》。

港中大团队成功研发新型集成式全光讯号处理器，应对下一代人工智能（AI）系统对数据传输的庞大需求，团队成员包括电子工程学系助理教授黄超然教授（前排中）、博士生王本善（后排左三）及肖洽荣（前排左一）等。

极速、低延迟、低耗电量！

该OSP设置在硅光子晶片上，可在光讯号仍然以“光”的形式传输时，即时修正讯号失真，毋须先把光转成电讯号再处理。换言之，它可更快、更有效地处理高速传输中的讯号问题，有助提升大型AI系统中不同伺服器及数据中心之间的通讯效率。

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带有电气线键合和光纤阵列的封装OSP晶片

实验结果显示，OSP可在每秒1.6 Tb/s（兆兆位元）的总传输速率下进行实时处理，延迟低于60皮秒（即一万亿分之一秒），而耗电量亦非常低，只有每比特数十飞焦（femtojoules per bit）。这项成果有助突破现时数码讯号处理技术在速度、延迟和耗电方面的瓶颈，为超低延迟及绿色AI超级运算提供突破性的解决方案。

突破传统技术瓶颈

直接用“光”修正讯号

港中大电子工程学系助理教授黄超然教授表示：“光纤通讯是现代数据传输及数据中心互连技术的基础。然而，传统数据中心互连技术愈来愈难以满足现代 AI 系统在规模和速度上的需求。而随着传输速率不断提升，讯号失真问题便会更明显；若仍依赖电子方式处理讯号，则会加剧延迟，并出现显著的功耗。”

为应对这一挑战，黄教授团队联同华中科技大学和复旦大学的研究人员，研发出这款集成式OSP。与传统方法不同，OSP可在光讯号进行光电转换前，直接以光学方式修正失真的讯号，从而减少处理时间和能源消耗，并提高整体传输效率。

分布式数据中心需要依靠高速光互连系统，才能支持大规模AI发展，但当传输速度愈来愈高，讯号失真、延迟和耗电亦会成为挑战。港中大团队研发的集成式OSP，可在光讯号仍未转成电讯号前即时修正失真，处理延迟低于60皮秒，耗电量亦非常低，有助提升传输容量，加速跨数据中心的AI训练。

这项技术的设计灵感来自神经形态计算及机器学习。研究团队透过精密调谐晶片内部的光路，让OSP能更仔细地分析高速光讯号中复杂的时间特征，从而更准确地修正讯号问题。

此外，OSP亦可作为可编程的非线性均衡器，可按不同传输情况灵活调整，用以补偿多种常见的讯号损伤，包括光纤传输造成的色散、接收器和发送器频宽不足的影响，以及光纤及器件在高负载下出现的非线性失真。由于OSP可在光电转换前保留更完整的光场资讯，因此在多个场景的测试中，它比传统基于数码讯号处理的方法更能有效修正失真，并有潜力把受色散限制的可用波分多工（WDM）频宽扩大至6.8倍以上，进一步提升每条光纤的传输容量。其可编程特性亦使系统可因应不同的讯号损伤场景、波长、数据速率和调制格式进行动态调整，展现出良好的灵活性和可扩展性。

OSP在频宽限制及非线性效应下的补偿效果。

（A-F）实验结果显示讯号损伤及设备频宽限制会令讯号质素下降。使用OSP后，讯号明显更清晰，质素更佳。

（G-H）在非线性效应的情况下（如高功率传输），OSP较传统数码讯号处理方法的表现更佳。

OSP的色散补偿性能对比。（左）在测试条件下，OSP修正讯号失真的效果比传统数码讯号处理方法更佳。（右）与过往已报道的光学处理器相比，OSP可在达到单波长200Gbit/s高速数据处理。

这组结果用以验证OSP的可编程能力，显示其可灵活适应不同传输情况。

（A-D）OSP在不同波长、数据速率及调制格式下，仍可维持良好讯号质素。

（E）系统经过简单训练后即可稳定运作。

（F）OSP可按不同应用需要进行调整，具备良好灵活性。

OSP支援高速数据中心互连传输，总速率高达1.6 Tb/s。

（A）集成OSP的高速光收发器可同时处理8个波长通道，并修正失真的光讯号。
（B）与未经处理或只使用传统方法相比，使用OSP可明显减少传输错误。
（C）若将OSP与少量传统数码讯号处理技术结合，可进一步提升长距离传输效能

在实验中，OSP可同时处理8个波长通道的讯号，每个通道以100 Gbaud PAM4速率运行（即约每通道200 Gbit/s），总吞吐量达1.6 Tb/s。研究亦显示，其处理延迟低于60皮秒，甚至短于许多数码系统中的单个时钟周期，而耗电量则稳定维持在每比特数十飞焦的水平。这些结果显示，OSP有潜力应用于未来高速数据中心互连、跨地域AI训练，以及其他需要超高速、低延迟传输的场景。

OSP的架构由3个光子储备池和8个读出通道组成。研究团队透过精密调谐晶片内的光延迟线，令系统可实现极高时间取样解析度，从而更有效处理高速光讯号。

传承·创新

推动光讯号处理技术迈向新阶段

从更宏观的角度来看，这项研究亦反映光通讯技术的持续演进：半个多世纪前，港中大前校长、被誉为“光纤之父”的高锟教授，提出利用低损耗光纤进行长距离通讯的构想，奠定现代互联网的基石。此次研究延续这项重要传承，展示未来技术不仅可利用光来“传输”讯号，更进一步以光来直接“处理”讯号，为下一代通讯和计算系统带来新可能。

黄超然教授为论文的通讯作者，其他作者包括港中大博士生王本善（第一作者）、肖洽荣（共同第一作者）、徐滕基、范理及刘少杰；以及其他合作者（港中大孔秋强教授、华中科技大学董建绩教授和复旦大学张俊文教授）。