港中大首创光讯号处理器，为AI数据流通铺设光速通道
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随着人工智能技术日新月异，当代AI系统早已突破单机或单数据中心的范畴。现今诸多大型生成式AI模型，动辄需要数以千计的图形处理器（GPU）及专用加速器，分散于各地协同作业。欲使这些系统高效运转，各运算单元间必须实现海量数据的快速、稳定交换。故而，除却运算效能本身，高带宽、低时延及低能耗的通信技术，已然成为AI演进的核心支撑。
香港中文大学（港中大）主导的研究团队日前成功开发出一款新型集成式全光信号处理器（all-optical signal processor，OSP），旨在满足新一代人工智能（AI）系统对数据传输的旺盛需求，特别适用于多数据中心间的高速互联。
该项研究成果已刊载于国际权威学术刊物《Science》。
港中大团队成功研制新型集成式全光信号处理器，应对新一代人工智能（AI）系统对数据传输的旺盛需求，研究团队核心成员涵盖电子工程学系助理教授黄超然教授（前排中）、博士研究生王本善（后排左三）及肖洽荣（前排左一）等。
超高速、极低时延、超低能耗！
该OSP搭载于硅光子芯片之上，能够在光信号仍以"光"的形态传输之际，实时校正信号畸变，无需先将光转换为电信号再行处理。换言之，其可更为迅捷、高效地处置高速传输过程中的信号异常，有助于增强大型AI系统内部各服务器及数据中心之间的通信效能。
带有金属丝键合与光纤阵列的封装OSP芯片
实测数据表明，OSP可在总传输速率达每秒1.6 Tb/s（兆兆比特）的条件下实现实时处理，时延低于60皮秒（即十亿分之一秒的千分之一），且能耗极低，仅为每比特数十飞焦（femtojoules per bit）。这一成果有助于突破现有数字信号处理技术在速率、时延与功耗层面的桎梏，为超低时延及绿色AI超级计算提供革命性的解决路径。
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逾越传统技术壁垒
以"光"为媒直接修复信号
港中大电子工程学系助理教授黄超然教授指出："光纤通信是现代数据传输及数据中心互联技术的根基。然而，传统数据中心互联技术日益难以契合现代AI系统在规模与速率方面的诉求。随着传输速率持续攀升，信号畸变问题愈发凸显；若依旧倚赖电子手段处理信号，则将导致时延加剧，并产生可观的功耗。"
为破解这一难题，黄教授团队携手华中科技大学与复旦大学的研究人员，共同研发出这款集成式OSP。与传统方案迥异，OSP能够在光信号经历光电转换之前，直接以光学手段修复畸变信号，从而缩减处理时长与能源消耗，并增进整体传输效率。
分布式数据中心需依托高速光互联系统，方能支撑大规模AI发展，然而当传输速率愈发提升，信号畸变、时延及功耗亦将构成挑战。港中大团队研发的集成式OSP，可在光信号尚未转为电信号前即时修复畸变，处理时延低于60皮秒，能耗亦处于极低水平，有助于扩充传输容量，加速跨数据中心的AI训练。
此项技术的设计灵感源自神经形态计算与机器学习。研究团队通过精细调校芯片内部的光路，使OSP得以更深入地解析高速光信号中繁复的时间特性，进而更精准地修复信号问题。
此外，OSP亦可作为可编程的非线性均衡器，能够依据不同传输情境灵活调节，用以补偿多种常见的信号损伤，涵盖光纤传输所致的色散、收发器带宽不足的制约，以及光纤及器件在高负荷下呈现的非线性失真。鉴于OSP可在光电转换前保留更为完整的光场信息，因而在多场景测试中，其较传统基于数字信号处理的方法更能有效修复畸变，并有望将受色散制约的可用波分复用（WDM）带宽拓展至6.8倍有余，进一步提升单根光纤的传输容量。其可编程特性亦使系统能够针对不同信号损伤场景、波长、数据速率及调制格式进行动态适配，展现出优异的灵活性与可扩展性。
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OSP在带宽限制及非线性效应下的补偿成效。
（A-F）实测结果显示信号损伤及设备带宽限制会导致信号质量劣化。采用OSP后，信号显著更为清晰，质量更佳。
（G-H）在非线性效应的情境下（如高功率传输），OSP较传统数字信号处理方法表现更优。
OSP的色散补偿性能对比。（左）在测试条件下，OSP修复信号畸变的成效优于传统数字信号处理方法。（右）与既往已报道的光学处理器相较，OSP可实现单波长200Gbit/s高速数据处理。
该组结果用以验证OSP的可编程能力，显示其可灵活适配不同传输情境。
（A-D）OSP于不同波长、数据速率及调制格式下，仍可保持良好信号质量。
（E）系统经简易训练后即可稳定运行。
（F）OSP可按不同应用需求进行调整，具备优良灵活性。
OSP支持高速数据中心互联传输，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，并修复畸变的光信号。 （B）与未经处理或仅采用传统方法相比，使用OSP可显著降低传输误码。 （C）若将OSP与少量传统数字信号处理技术结合，可进一步提升长距离传输性能
实验中，OSP可同时处理8个波长通道的信号，各通道以100 Gbaud PAM4速率运行（即约每通道200 Gbit/s），总吞吐量达1.6 Tb/s。研究亦表明，其处理时延低于60皮秒，甚至短于诸多数字系统中的单个时钟周期，而功耗则稳定维持在每比特数十飞焦的水准。这些结果表明，OSP有望应用于未来高速数据中心互联、跨区域AI训练，以及其他需要超高速、低时延传输的场景。
OSP的架构由3个光子储池及8个读出通道构成。研究团队通过精密调控芯片内的光延迟线，令系统可实现极高时间采样分辨率，从而更高效地处理高速光信号。
传承·创新
助推光信号处理技术迈入新纪元
从更广阔的视角审视，这项研究亦映射出光通信技术的持续进阶：半个多世纪前，港中大前校长、尊为"光纤之父"的高锟教授，倡言利用低损耗光纤进行远距离通信的构想，奠定了现代互联网的基石。此次研究承续这一重要脉络，昭示未来技术不仅可借光来"传输"信号，更进以光来直接"处理"信号，为下一代通信与计算系统开辟新境。
黄超然教授担任论文的通讯作者，其余作者包括港中大博士研究生王本善（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）。
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