近期清华大学、上海科技大学分别在Science上发表最新研究成果。
智能光计算作为近年来新兴的计算模态，具备高速、低功耗等特性，在后摩尔时代展现出有望超越硅基电子计算的潜力，解决人工智能领域的算力与功耗难题。然而，其计算任务往往局限于简单的字符分类、图像处理等。其痛点是光的计算优势被困在了不适合的电架构中，计算规模受限，无法支撑复杂大模型智能计算。
针对大规模光电智能计算难题，清华大学电子工程系方璐副教授课题组、自动化系戴琼海院士课题组，构建了智能光计算的通用传播模型，摒弃了传统电子深度计算范式，另辟蹊径，首创了分布式广度光计算架构，研制了全球首款大规模干涉-衍射异构集成芯片“太极”（Taichi），实现了160 TOPS/W的通用智能计算。
化深为广，分布式广度光计算架构。建立自顶向下的编码拆分-解码重构机制，将复杂智能任务化繁为简，拆分为多通道高并行的子任务，构建分布式浅层光网络对子任务分而治之，突破物理器件多层深度级联的固有计算误差。相异于电学神经网络依赖网络深度以实现复杂的计算与功能，“太极”架构源自光计算独特的“全连接”与“高并行”属性，化深度计算为广度计算，为实现规模易扩展、计算高并行、系统强鲁棒的通用智能光计算探索了新路径。
化深为广：Taichi分布式广度光计算架构
两仪一元，干涉-衍射融合计算芯片。以周易典籍“易有太极，是生两仪”为启发，建立干涉-衍射联合传播模型，刻画衍射光计算大规模并行优势与干涉光计算灵活重构特性，提出衍射编码-干涉特征计算-衍射解码的融合计算方法，研制了干涉-衍射异构集成智能光芯片，实现片上大规模通用光计算。更进一步，受益于光的高速传播特性，将衍射编解码与干涉特征计算进行部分/整体重构复用，以时序复用突破通量瓶颈，自底向上支撑分布式广度光计算架构。
两仪一元：干涉-衍射融合计算芯片
据论文报道，“太极”芯片具备879 T MACS/mm^2的面积效率与160 TOPS/W的能量效率，首次赋能光计算实现自然场景千类对象识别、跨模态内容生成等人工智能复杂任务，将为百亿像素大场景光速智能分析、百亿参数大模型训练推理、低功耗自主智能无人系统提供算力支撑。
通用大规模光计算从无极至太极，以致万物化生。课题组希望“太极”可以在如今大模型通用人工智能蓬勃发展的时代，以光子之道，为高性能计算探索新灵感、新架构、新路径。
相关研究成果以“大规模光芯片太极赋能160 TOPS/W通用人工智能”（Large-scale photonic chiplets Taichi empowers 160 TOPS/W artificial general intelligence）为题，于北京时间4月12日凌晨发表于《科学》（Science）杂志。
清华大学电子工程系为论文的第一单位，清华大学电子系副教授方璐、自动化系教授戴琼海为论文通讯作者，电子系2020级博士生徐智昊、博士后周天贶（清华大学水木学者）为论文第一作者。该课题得到科技部2030“新一代人工智能”重大项目、基础科学中心项目，清华大学-之江实验室联合研究中心等的支持。
卤素钙钛矿太阳能电池是目前公认最具前景的第三代光伏技术，为太阳能电池产业的变革性发展带来了广阔空间。近年来卤素钙钛矿电池效率不断提升，但距离其理论极限仍有差距，因此如何提高钙钛矿太阳能电池效率是目前产业界和学术界关注的焦点。
针对钙钛矿离子型晶体表面结构易发生解离、进而失去离子产生缺陷的特点，在钙钛矿表面进行分子钝化是防止缺陷产生、提升器件性能的一种重要手段。但是，目前常用的有机钝化分子通常只能与钙钛矿表面单个活性位点相结合，结合能力较弱。此外，单位点钝化分子倾向于垂直紧密堆积在钙钛矿上表面，可能在钙钛矿/电子传输层界面引入传输屏障，影响电荷提取。
4月12日，上海科技大学物质科学与技术学院宁志军团队和美国西北大学Sargent团队通过精准调控钙钛矿表面有机钝化分子的排列，实现了钙钛矿光伏器件效率的新突破，成果在国际学术期刊《科学》(Science)上在线发表。本工作利用双结合位点的4-氯苯磺酸钠（4Cl-BZS）作为钝化分子。4Cl-BZS通过氯原子和磺酸根两个基团分别与钙钛矿表面相邻的铅离子作用，提高了分子和钙钛矿表面的结合能，有效抑制了表面缺陷的产生和钙钛矿上界面的载流子复合。此外双位点结合还可以促使4Cl-BZS分子平行伏贴(“平伏”)在钙钛矿上表面，缩短了钙钛矿与电子传输层(C60)之间的距离，提升了电子传输的效率。
图1：钝化分子在钙钛矿表面的模拟结构与各种构型的结合能比较。
图2：钙钛矿太阳能电池的效率和稳定性表征。
通过将4Cl-BZS分子引入到钙钛矿薄膜中，太阳能电池的光电转换效率得到了显著提升。器件在实验室的最高效率为26.9%。经权威机构Newport认证，0.05平方厘米和1平方厘米冠军器件分别取得了26.15%和24.74%的准稳态认证效率。该认证结果分别被美国可再生能源实验室（NREL）发布的Best Research-Cell Efficiency Chart 和全球光伏业界权威榜单Solar cell efficiency tables (Version 63) 收录，刷新了单结钙钛矿光伏器件权威认证效率纪录。此外，器件在光照高温（65℃）连续运行1000小时后效率维持在95%以上，表明器件具有极好的稳定性。
本工作表明通过双位点结合的“平伏”分子钝化可以有效降低钙钛矿薄膜缺陷，并提高器件中的电荷提取速度，从而提升器件性能，为钙钛矿表面高效钝化分子的开发以及高性能钙钛矿光伏器件的制备提供了思路，对于钙钛矿太阳能电池的发展具有重要意义，并对后续钙钛矿光伏的产业化具有重要的推动作用。
上海科技大学宁志军教授和美国西北大学Edward H. Sargent教授、研究助理教授陈斌为论文共同通讯作者。西北大学博士后陈昊、刘成，加拿大多伦多大学博士后徐健、Aidan Maxwell 和上海科技大学2021级硕博连读研究生周炜为论文共同第一作者。
