清华大学电子工程系助理教授林星 利用光电融合实现更智能计算

　　人工智能光电芯片及深度学习光电成像问题属于国家重大需求和关键科学问题，亟待破解。《中国科学报》等权威媒体在谈到国内优秀科研团队原创“衍射光子计算单元（DPU）重构”计算模式时曾公开表示，在过去的10 年，电子驱动的计算处理器对人工智能（AI）发展产生了巨大影响，但该类型计算处理器功能接近上限。光学计算处理器一直为研究人员所倚重，被认为是能够促进AI 发展的未来处理器。据媒体报道，目前已有研究人员利用光学计算的特性构建专用光学处理器，其在数据和信号处理方面所表现出的性能远远超过现在的电子处理器。

　　清华大学电子工程系助理教授林星正是这一学术领域的后起之秀，目前正在清华大学建设光子计算与集成实验室开展智能光子计算与芯片研究，研发具有超高计算速度和能效的光子计算芯片和光电融合智能计算处理器，理论上有望实现三个数量级计算速度的提升和六个数量级计算功耗的降低，有望满足人工智能、海量数据处理以及高通量通信等关键领域对计算资源的重大需求。

　　研究交叉学科引领未来

　　林星是原创该衍射光子计算单元（DPU）重构计算模式团队中的重要力量，主要在电子信息与光学领域以及交叉学科的研究方面发力。这是林星一直以来的学术兴趣所在，他为此兢兢业业钻研专业理论，进行科学实验，百折而不挠。

　　林星的学术历程发轫于西安电子科技大学，获工学学士学位。之后，林星在清华大学进一步深造，荣获博士学位。在攻读博士期间，他从事计算成像方向研究，通过将计算引入光学成像过程突破经典成像性能和维度的局限，极大地拓展了相机与显微等光学成像系统在时间、空间、尺度以及解析度上的物理极限。在攻读博士期间，他还作为国家公派联合培养访问学生，在麻省理工学院进修1 年。在博士后科研阶段，林星远赴美国斯坦福大学和加州洛杉矶大学，主要从事光子神经网络方向研究，以光子作为计算载体，基于光场传播和调控基本原理构建人工神经网络，实现高性能光学智能信息处理。

　　在林星看来，光子计算和计算成像的研究思路及应用领域能够相辅相成、交叉互补，是能够产生重大创新成果的研究方向。例如，光子计算能够应用于解决计算成像中高通量、大规模数据处理的难题，而计算成像中所涉及的对光载信息的变换、处理与提取方法也是设计复杂光子计算芯片与光电融合智能计算系统的基础。

　　具体而言，在计算成像领域，针对高维视觉信号信息通量大，难以高速、高分辨率采集的难题，林星面向三维动态场景的高分辨率光场与光谱成像，通过联合设计光学系统、光电传感和计算重构，提出了多通道光学编码采集和压缩计算重构的理论和方法，开展了高分辨率光场成像、高精度光谱视频采集以及复杂场景三维重建的创新研究。他所提出的计算成像方法和系统在可视导航、远程遥感、医疗诊断、脑科学成像等领域具有重要的应用。

　　在光子计算与光电智能计算领域，林星针对先进计算任务，如人工智能算法，对计算资源急剧增长的需求与变缓的摩尔定律之间的矛盾，开展了大规模衍射深度神经网络和衍射光子计算的创新研究，构建了先进光子神经网络架构和高性能光电融合智能计算处理器，提出了自适应在线训练和误差校正方法，应用于高精度物体识别和分割，验证了相比高端电子计算平台计算性能的优越性。

　　集中发力瞄准光电计算

　　结束博士后阶段的科研工作后，林星回国，担任清华大学未来芯片技术高精尖创新中心特别研究员。随后，他在清华大学电子工程系任助理教授、特别研究员，积极融入优秀团队，与志同道合者共同开创事业新局面。一言概之，林星及所在团队开展了大规模衍射深度神经网络和衍射光子计算单元（DPU）的创新研究，构建了先进光子神经网络架构和高性能光电融合智能计算处理器。

　　作为计算载体，光子具备高速、高通量、低功耗的优势，并且光子计算与现有主流的电子计算构架具备极高的兼容性与优势互补特性，目前已经成为国际上先进计算的热点研究领域。在林星看来，以光子计算为基础，通过光电融合的机制构建光子神经网络与光电智能计算处理器能够实现计算性能的跨越式提升，有望引领全新的人工智能计算范式。

　　林星希望能够解决智能光子计算非线性弱领域的世界性关键技术难题，如计算单元集成度低、模型架构简单、系统误差难以校正，将支撑从万级迈向百万级计算单元的大规模光子集成，应用于构建更先进的光子神经网络芯片与应用平台，实现复杂场景的人工智能任务，从而推动光子人工智能芯片技术的快速发展，引领新一代智能产业和信息技术的变革。

　　值得注意的是，人工智能技术几乎影响了所有的国民经济和国防领域，而研究新型人工智能计算范式与核心技术是人工智能技术发展的必然趋势。近几年，随着集成光子器件和材料的发展以及人工智能的兴起，智能光子计算已经逐渐由前沿科学研究迈向产业化，也产生了不少源于顶尖高校且有产业话语权的知名企业，但这些企业的科研成果难以应用于构建大规模光子神经网络架构。

　　林星所提出的衍射光子计算核心技术为光学衍射与调控原理，能够提升光子计算集成度两个数量级，应用于构建衍射光子神经网络和衍射光子计算处理器，实现包含百万数量级计算单元的大规模智能光子计算系统。产业化所提出的新型片上集成智能光子计算芯片有望颠覆人工智能硬件，实现光载海量信息的高效处理，将极大促进其在终端和云端计算、通信领域、数据中心的应用，推动自动驾驶、机器人技术等信息技术领域的高速发展，引起国际信息技术前沿的新一波浪潮。

　　科技潮流，浩浩汤汤，势不可挡。只有融入世界潮流，顺应趋势发展，才能真正实现大到民族、小到个人的梦想。林星不断求索，坚定选择中国发展大平台实现自己的学术理想和人生价值，定会创造出属于自己的人生辉煌和灿烂前景。由他的学术研究积淀而结出的累累学术硕果，必将助推经济发展和社会进步，助力我们创造更加美好的明天！