国家信息光电子创新中心、光通信技术和网络全国重点实验室与鹏城实验室联合宣布，成功研发出全球领先的多功能可编程光电融合门阵列系统“LightIN”，相关成果已发表于《自然》子刊《光：科学与应用》。该系统通过集成可编程光子芯片、电子控制模块与智能配置框架，首次在单芯片上实现了计算加速、信号处理、光交换和安全加密四大核心功能，为人工智能集群的光电子融合提供了突破性解决方案。
面对人工智能模型规模指数级增长带来的算力瓶颈，传统电子计算集群在功耗、带宽和时延等关键指标上已接近物理极限。研究团队指出，硅光子技术凭借其与CMOS工艺兼容、超低时延和超大带宽的优势，成为突破计算瓶颈的关键路径。然而，现有硅光芯片普遍存在功能固化、软硬件协同效率低等问题，难以满足AI集群对灵活性和通用性的需求。LightIN系统的创新之处在于，通过可编程架构设计打破了这一局限，其核心是一枚基于绝缘体上硅（SOI）工艺制造的4×4方形循环网格光子芯片，集成40个可编程单元和160余个光电器件，配合自主研发的测试-编译-调节（TCA）智能框架，实现了芯片功能的动态重构与高效配置。
在性能验证中，LightIN展现出多维度的技术突破。计算加速方面，该系统支持4×4双向酉矩阵和3×3非酉矩阵乘法运算，峰值算力达1.92TOPS，能效比高达1.875皮焦/每乘加操作（pJ/MAC），基于其构建的神经网络在鸢尾花数据集上实现93.33%的推理准确率，总时延低于260皮秒。信号处理领域，系统成功应用于微环调制器的自动波长锁定，在5至32Gb/s的NRZ调制系统中，25℃至35℃温变环境下仍保持17dB以上信噪比和7以上的Q因子，验证了其在光输入/输出接口的稳定性。光交换测试中，4×4通道交换在1560nm波长下实现-45dB的端口间串扰，为数据中心互联提供了低损耗、高隔离度的解决方案。更引人注目的是安全加密功能，通过硅基光子物理不可克隆技术，每枚芯片生成独特的“光子指纹”，芯片内汉明距离仅1.7%，而芯片间差异达50.15%，可有效抵御侧信道攻击和数据篡改。
作为该项目的牵头单位，中国信科集团在硅基光电子领域已布局十余年，其研发的芯片制造工艺与系统集成技术达到国际先进水平。LightIN系统的问世，不仅验证了可编程光子芯片在多功能集成领域的工程可行性，更通过单芯片架构大幅降低了光电子系统的复杂度和成本。据测算，该技术可使AI集群的能耗降低30%以上，同时将矩阵运算速度提升至纳秒级，为自动驾驶、实时金融交易等对时延敏感的场景提供了硬件支撑。目前，研究团队正与多家头部企业合作，推进LightIN在超算中心和5G基站等场景的产业化应用，预计三年内形成规模化产能。
