全光信号处理器诞生，破解AI数据中心传输难题

由香港中文大学（CUHK）主导的研究团队研制出一款创新型集成全光信号处理器（OSP），旨在满足新一代人工智能系统对庞大数据传输量的需求，特别是多数据中心间的高速互联互通场景。

该全光信号处理器采用硅光子芯片工艺制造，可在光信号维持光态的情况下，即时修正信号畸变，无须先行转换为电信号再进行处理。简单来说，它能够更加迅捷、更加高效地处置高速传输过程中的信号损耗，有益于增强大规模AI系统中服务器与数据中心间的通信效能。

实测数据表明，这款全光信号处理器可在1.6 Tb/s（太比特每秒）的合计数据速率下实现实时运算，延时低于60皮秒（万亿分之一秒），单比特能耗仅达数十飞焦，能耗极低。这一突破有益于克服传统数字信号处理（DSP）技术在速率、延时与能耗层面的制约，为超低延时与绿色AI超级运算提供变革性解决路径。上述研究成果已刊发于近期出版的《科学》期刊。

AI飞速进步，催生大规模分布式数据中心对高速传输的渴求

伴随AI技术的迅猛迭代，当代AI系统早已突破单台计算机或单一数据中心的桎梏。诸多大型生成式AI模型现今需数以万计的图形处理器（GPU）与专用加速器跨地域协同运转。要使这些系统高效运作，计算单元之间必须能够迅捷、稳健地交互海量数据。因而，除却算力本身，拥有高带宽、低延时与低能耗特性的通信技术，已然成为AI发展至关重要的一环。

香港中文大学电子工程学系助理教授Huang Chaoran指出："光纤通信是当代数据传输与数据中心互联技术的根基。然而，传统数据中心互联技术正日益难以迎合现代AI系统对规模与速率的要求。随着传输速率持续走高，信号畸变愈发严峻，而若信号处理依旧倚重电子手段，还将招致严重的延时与可观的能耗。"

直接以光修正畸变信号，效能更优

为破解这些困境，Huang Chaoran团队携手华中科技大学及复旦大学的科研人员，研制出集成全光信号处理器。与常规方案相异，该处理器能够在光电转换之前，直接在光域内修正畸变信号，从而缩减处理时长与能耗，并增进整体传输效能。

该技术的设计灵感源自神经形态运算与机器学习。经由精准调控芯片内部的光路，研究团队使全光信号处理器得以更高效地解析高速光信号的复杂时域特征，进而更精确地修复信号损伤。

此外，该处理器还发挥一种可编程非线性均衡器的功能，能够依据不同传输情境灵活调节，补偿各类信号损伤，涵盖光纤色散、收发端带宽受限所致影响，以及光纤与器件在高负载下诱发的非线性畸变。得益于在光电转换前保留了完整的光场信息，该全光信号处理器在多种测试情境中，均展现出优于传统基于DSP方法的畸变修正性能。

它还有望将受色散限制的可用波分复用（WDM）带宽拓展6.8倍，从而进一步抬升单根光纤的传输容量。其可编程特性还能使系统动态匹配不同的损伤情境、波长、数据速率与调制格式，彰显出高度的灵活性与可扩展性。

在实验环节，该全光信号处理器并行处理八个波长通道的信号，各通道运行于100 Gbaud PAM4（折合每通道200 Gbit/s），合计达成1.6 Tb/s的吞吐能力。研究亦显示，其处理延时低于60皮秒，较诸多数字系统的单个时钟周期更短，而单比特能耗稳定在数十飞焦的水准。这些结果昭示，该全光信号处理器在未来高速数据中心互联、跨区域AI训练及其他需要超高速、低延时数据传输的场景中蕴含广阔前景。

助推光信号处理跃上新高度

从更为宏观的维度审视，这项研究映射出光通信技术的不断演进。半个多世纪前，香港中文大学前任校长、"光纤之父"高锟倡导运用低损耗光纤实施远距离通信，为现代互联网筑牢根基。本研究承接这一珍贵遗产，表明未来技术不仅能够借助光来传递信息，还可以直接运用光来处理信息，为下一代通信与运算系统开辟崭新可能。