在当今人工智能和大数据驱动的时代,计算需求飞速膨胀,传统数字计算架构逐渐暴露出诸如能源消耗高、运算延迟大以及数据存取瓶颈严重等问题。尤其在AI推理和组合优化任务中,数字计算不可避免地进行大量重复的数字-模拟转换和数据移动,使得计算效率受到限制,耗电量骤增,成为阻碍技术发展的瓶颈。为了解决这一困境,科学家们探索了各种非常规计算方式,其中类比光学计算机(Analog Optical Computer, 简称AOC)作为一种融合光学与模拟电子技术的创新平台,成为实现高效、可持续计算的有力候选。类比光学计算机利用光的固有特性,通过光学器件直接完成大规模矩阵向量乘法操作,结合模拟电子元件完成非线性变换和迭代反馈控制,从根本上避免了传统数字计算中频繁的数据转换,极大缩减能耗和延迟。在AI领域,递归推理和固定点搜索等计算密集型任务尤其适合借助AOC的架构实现高效加速,同时AOC的迭代反馈机制使设备具备很强的抗噪声能力,大幅提升计算结果的稳定性和精度。类比光学计算机的核心架构把输入状态通过微型发光二极管阵列(microLED)转换为光信号,以空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)实现权重矩阵编码和乘法计算,随后利用光电探测器阵列完成光信号的合并,再通过模拟电子系统实施非线性函数、加法减法和退火操作。
该双域交互循环反馈,实现了快速且连续的固定点迭代搜索。具体来说,AOC通过每次约20纳秒的循环迭代,有效执行矩阵-向量乘法与非线性操作,从而快速逼近收敛解。该固定点抽象不仅驱动机器学习中的深度平衡网络和能量基模型,还能将复杂的组合优化问题之最优解转化为动态收敛过程,兼具广泛适应性和较高的物理实现效率。技术方面,AOC借助三维光学设计通过球面与柱面镜头,实现空间光信号的高效散射与汇聚,支持高并行度的矩阵乘法运算,突破了传统二维光学设备面积与光路衔接的限制。此外,由于使用非相干光源,系统对光路匹配的制造要求大大降低,带来了更高的制造容错率与成本优势。AOC的硬件组建基于成熟工业制程,结合市场上现有的microLED、液晶SLM及高灵敏度光电探测技术,具备良好的可扩展性,未来可通过紧耦合3D光学与集成模拟电子技术实现百万级变量计算规模。
为验证技术可行性,研究团队开发了高保真数字孪生模型(Digital Twin, AOC-DT),用于训练、仿真及优化模型。将训练好的权重导入AOC硬件后,实验表明其推理效果与仿真模型高度一致,完成手写数字识别(MNIST和Fashion-MNIST)及非线性回归等经典机器学习任务,分类准确率稳定高于对应线性模型。与传统数字推理不同,AOC的迭代性质赋予其更强的泛化能力和鲁棒性,极具应用价值。组合优化领域内,将传统难以求解的混合整型规划问题,归约为含连续和离散变量的二次无约束混合优化(QUMO)问题。AOC基于固定点迭代机制,通过模拟物理系统收敛过程,优雅地实现了问题解的求解。医疗影像重建、金融交易清算等真实场景皆获显著性能提升。
例如在医学MRI图像重建中,借助AOC,研究实现了基于ℓ0范数的硬稀疏正则化算法,有效减少扫描时间的同时确保重建质量;在交易结算优化中,AOC成功解决了大规模变量混合约束问题,达到行业基础设施需求。目前的AOC设备支持16个变量的直接计算,并通过区块坐标下降等分解策略,将复杂问题拆分为小型子问题逐步求解,扩展至数千变量规模。相较于业界主流数字解算器(如Gurobi),AOC在部分标准基准测试中实现了超千倍的时间加速,甚至发现了新的最优解。随着技术持续进步,未来AOC有望通过模块化设计汇聚数百乃至上千光学计算单元,实现数亿权重规模的矩阵运算,满足高分辨率图像处理及大型深度学习模型对算力的需求。估算显示,100百万重量级AOC系统的功耗约为800瓦,处理速度达400千万亿次操作每秒,功效提高至现有GPU的百倍以上,极大符合绿色计算与可持续发展目标。展望未来,AOC的独特魅力不仅在于突破传统数字架构性能瓶颈,更在于其架构与算法的协同进化,不断催生具有动态深度、递归推理能力的平衡模型,加速推广到语言理解、图像生成、推荐系统等多个AI应用中。
同时,作为一种新型可编程模拟光电子平台,其强大的通用性和定制性也为定制优化算法提供了极佳硬件基础。行业应用层面,医疗诊断、智能制造、金融风控和交通物流等领域皆将从AOC带来的速度与效率提升中受益。随着光学器件和模拟电子技术的不断成长,类比光学计算有望成为21世纪算力基础设施重要组成部分,助推人工智能革命与复杂优化问题求解进入新纪元。总结来看,类比光学计算机融合了光学并行计算和模拟电子处理的优势,突破数字计算的能耗限制,提供了面向AI推理和组合优化的高效可扩展解决方案。其采用的固定点搜索迭代算法在硬件中实现高度自然,表现出强大鲁棒性和泛化能力,已在图像分类、回归及工业优化任务展现可观性能。凭借成熟的制造工艺和适合模块化扩展的三维光学设计,AOC有望快速迈入商业应用阶段,成为未来可持续智能计算的重要引擎。
随着人工智能和优化需求日益增长,类比光学计算机代表了一种创新且具变革潜力的计算范式,值得业界持续关注与投入。 。
