光计算芯片架构设计与性能仿真

引言：

伴随数据密集型应用的快速发展，电子芯片面临着传输速率受限、能耗攀升等发展上的瓶颈，光计算作为一种利用光子作为信息载体的全新计算手段，具有高并行的状态与低延迟等天然的有利特性，成为未来高性能计算领域的关键发展方向，实现光子器件与电子控制单元的融合，构筑具有计算与通信能力的光计算芯片，成为提升算力效率和能耗比的关键手段，聚焦架构设计、通信机制及性能仿真展开深度探索。

1.​光计算芯片架构设计思路

1.1 架构总体设计

光计算芯片采用光占主导、电为补充的架构，由光计算单元、光互连网络以及电子控制模块组合而成，光信号完成运算及传输任务，电信号开展逻辑处理及调度功能，实现高效的联合协作，架构依靠硅光平台创建并行子阵列，通过光路径实现高密度的运算，采用模块化设计强化系统可维护性，控制逻辑由FPGA 集中统一管理，该架构兼顾电子已有的成熟性与光计算的高速低功耗优点，具备较好的扩展性与工程应用的潜力空间。

1.2 光计算单元设计

光计算单元一般由 Mach-Zehnder干涉器（MZI）搭建而成，依靠相位调制完成基本算术运算，多个 MZI 可聚合为阵列，服务于矩阵乘法、卷积等高频 AI相关任务，单元结构采用的是硅基波导，采用热光或电光调控途径增强调节精度，为加强通道的综合能力，采用 WDM 技术改善带宽利用率，每个单元把光电探测、电源与热控模块集成起来，维护计算精度与运行的稳定性，作为实现光计算实用化的基础支撑部分。

1.3 芯片通信机制

通信结构采用光波导为主通道，结合交叉光开关搭建起二维可编程互联网络，实现芯片内部单元的高速衔接，光信号速率可攀升至数百 Gbps，WDM 技术可支撑多波长并行传输操作，极大促进通信效率，控制器按照任务关系对光路进行动态分配，优化路径走向，降低信号延迟，引入光电转换模块，实现与存储以及传统接口的对接，提高系统的兼容程度与整体协同水平，为光计算任务搭建高效通信桥梁。

1.4 控制与编程模型

光计算芯片需具备精细的控制机制，以实现光电协同运算，依靠中间指令集，把高层语言任务映射成可运行的硬件指令，经控制器调度投放至光计算阵列，开发者可凭借 API 启动任务，系统完成调制，接着采集结果，采用调度器与缓存的架构，保障任务相互间的时序及数据一致，配合图形化界面和仿真平台，构建任务部署与验证的一体化流程，提高光计算系统开发效率及工程适应能力。

2. 光计算芯片架构设计与性能仿真的实施路径

2.1 构建光计算仿真平台并搭建典型应用场景

在开展光计算芯片设计的早期，一定要打造具有可扩展性与高精度模 拟 能 力 的 仿 真 平 台， 可 采 用 VPI Photonics、Lumerical FDTD、COMSOLMultiphysics 等相关工具，依次落实光波传播建模、电光调制行为模拟、结构热噪影响考察等关键工作，首先应搭建起包含光调制器、MZI、波导、光电探测器等基础模块的库，随后按照工艺参数设定器件的各项物理属性，采用配置任务参数的做法，将诸如矩阵乘法、图像卷积、FFT 计算等典型高带宽应用映射进平台之上。

为检验架构是否可行，应当借助仿真平台进行多任务模拟，记下光功率衰减、干涉输出特性、信号传输损耗等相关指标，采用构建光计算路径且加载标准输入数据的做法，可对系统在并行数据处理、通信调度及实时响应上的性能表现进行观察，保障后续硬件部署具备理论依据与仿真验证的支撑。

2.2 模块级架构设计与参数优化

在架构设计阶段，要聚焦于光计算模块功能的建构以及性能参数的调优，研究人员应根据所选取的工艺平台（比如硅光或 III-V异质集成），着手对

MZI、环形谐振器、光源及探测器做电光性能建模，还需对关键参数，像耦合率、波长漂移容差、干涉路径差等加以设定，尤其是当进行 MZI 阵列构建之际，必须知晓模块的排列方式，同时对其在复数逻辑运算、相位控制精度范畴内的可实现程度进行评估。

借助仿真平台比较不同结构配置中的误差传播路径、功耗密度分布与热稳定性，可挑出性能卓越的参数组合，终极目的是让光计算单元在面积可掌控、功耗可接受的条件下，实现预期的算力输出效果，参数优化应当建立数学模型，同时结合遗传算法、梯度搜索等优化手段，逐步向全局最优解逼近，为硬件封装提供可靠的数据辅佐。

2.3 开发光电协同控制机制

为达成光计算单元和传统电子逻辑的无缝衔接，要开发以 FPGA或像Xilinx Zynq SoC 的嵌入式平台为依托的控制系统，该控制机制的主要组成部分为任务加载、指令翻译、信号同步与结果读取四个模块，先按照高层任务编译出中间指令集，拆分为低层硬件可辨认的操作指令，而后输送至光计算阵列的输入端点；把控光调制器的驱动信号，实现任务数据的加载操作。

等光计算全部完成后，控制逻辑需精准采集由光信号经光电探测器输出的电信号，进而开展放大、滤波及结果的整理，此过程要跟高精度时钟系统与缓冲机制相结合，以防多任务同时调度引发信号干扰、错位现象，依靠此控制手段，可达成软硬件一体化同步调试，给后续大规模系统集成提供稳定运行的基础及开发接口。

2.4 构建性能评估体系并开展实验验证

完善性能评估体系是光计算芯片设计闭环的关键要点，应制定一个囊括吞吐量（GB/s）、通信延迟（ps）、能耗（pJ/bit）、误码率（BER）、模块面积 (mm² ）等核心指标的多维评估框架，同时要对芯片模型在不同负载与参数组合的情境下做仿真，应设定标准化测试任务，诸如 128×128 矩阵乘法运算、图像 3×3 卷积、逻辑门级组合电路等，为提升通用对比水平。

评估期间需精准记录输出波形、处理延迟以及信号质量，借助如 MATLAB这类工具实施误差分析与统计回归，评价系统稳定性及可靠性，把实验数据与传统电子芯片在同类任务时的表现做对比，估算光计算芯片性能的提升幅度，最终形成一份全面评估报告，为后续开展工艺验证及原型流片提供支撑，以推动标准化光计算测试基准的搭建。

3. 结论

与传统方案相比，光计算芯片架构在带宽、延迟及能耗上展现出明显优势，能应用于高密度并行计算情形，依靠模块化设计及仿真验证达成，可实现从单元维度到系统维度的优化迭代，之后要强化光电协同控制、编程模型的研发以及硅光集成技术落地实施，带动光计算芯片自实验验证迈向工程应用阶段，为新一代高性能计算系统添砖加瓦。

参考文献：

[1] 杨卓樾 , 钱广 , 黄梦昊 , 等 .AI 光学神经网络计算芯片发展现状及趋势 [J]. 光电子技术 ,2025,45(01):1-9.

[2] 梁林俊 , 鲁楠 , 王扬 . 光计算技术发展与应用研究 [J]. 信息通信技术与政策 ,2023,49(06):40-46.

作者简介：孙百月(1987.6.30)，性别: 女，籍贯: 辽宁 北镇，民族: 满族，学历: 本科，职称: 中级，研究方向: 计算机。