由于光線追蹤的計(jì)算強(qiáng)度過高和當(dāng)前電子平臺(tái)的性能限制，實(shí)時(shí)、物理逼真的渲染是空間計(jì)算系統(tǒng)中的一個(gè)重大挑戰(zhàn)。近日，華中科技大學(xué)武漢光電國家研究中心董建績(jī)教授、夏金松教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合華為伽利略先進(jìn)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，成功研制全球首款用于光線追蹤加速的光子計(jì)算芯片（PRTC）。此芯片基于薄膜鈮酸鋰（TFLN）的高帶寬、高線性和卓越效率等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了每次操作326毫焦耳（fJ/OP）的能量效率，證明了使用光子芯片進(jìn)行光線追蹤的可行性，有效地克服了光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)的ADC瓶頸。具體內(nèi)容以“Thin-film lithium niobate photonic circuit for ray tracing acceleration”為題發(fā)布在《Nature Communications》上。

文章鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-61234-x

空間計(jì)算通過將數(shù)字信息與物理世界無縫集成，正在徹底改變各個(gè)領(lǐng)域。其關(guān)鍵方面之一是實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、物理逼真的渲染，這對(duì)于提供視覺上準(zhǔn)確和交互式的體驗(yàn)至關(guān)重要。光線追蹤是這方面的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，通過精確建模反射、折射和陰影來模擬光線的行為，以產(chǎn)生逼真的圖像或視頻。

然而，光線跟蹤中最大的計(jì)算負(fù)擔(dān)是確定光線是否與場(chǎng)景中的對(duì)象相交。這些計(jì)算中的大多數(shù)涉及邊界體積層次結(jié)構(gòu)（BVH）中的射線盒相交測(cè)試，然而，傳統(tǒng)計(jì)算硬件在處理實(shí)時(shí)應(yīng)用所需的大量射線箱相交測(cè)試方面面臨著重大挑戰(zhàn)。為克服現(xiàn)有硬件架構(gòu)的局限性，實(shí)現(xiàn)更高效的實(shí)時(shí)渲染。光學(xué)計(jì)算已成為下一代計(jì)算硬件平臺(tái)的有前景的候選者。但是，現(xiàn)有的光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)面臨著兩大挑戰(zhàn)，限制了它們的實(shí)用性和廣泛采用。

首先，硅光子學(xué)由于其基于自由載流子的調(diào)制機(jī)制，導(dǎo)致非線性電光響應(yīng)、載流子吸收損耗和有限的響應(yīng)速度，影響信號(hào)傳遞性、功耗和工作帶寬；其次，將光學(xué)計(jì)算與電子處理系統(tǒng)連接所需的模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC），在模擬光學(xué)計(jì)算架構(gòu)時(shí)通常會(huì)遭受巨大的功耗。

因此，該研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于薄膜鈮酸鋰（TFLN）光子學(xué)的光子射線追蹤核心（PRTC）來解決光線追蹤硬件的速度和能耗等關(guān)鍵問題。此PRTC旨在在光學(xué)域內(nèi)進(jìn)行射線箱交叉測(cè)試，利用光子學(xué)的固有優(yōu)勢(shì)來加速這項(xiàng)計(jì)算密集型任務(wù)。通過利用TFLN光子學(xué)，PRTC克服了與硅光子學(xué)相關(guān)的性能權(quán)衡，在CMOS兼容電壓和100GHz電光帶寬下實(shí)現(xiàn)了線性光場(chǎng)響應(yīng)，大大超過了傳統(tǒng)硅基光子器件的能力。此外，PRTC通過降低射線追蹤任務(wù)中的ADC位寬要求來解決ADC功耗挑戰(zhàn)。研究人員能夠?qū)�ADC位寬減小到單個(gè)位，有效地最大限度地減少了與模數(shù)轉(zhuǎn)換相關(guān)的功耗，并實(shí)現(xiàn)了326 fJ/OP的能量效率。

所研究的PRTC與TFLN平臺(tái)的特征如圖1所示。所制造的PRTC芯片的整體結(jié)構(gòu)如圖1a所示，具有四個(gè)推挽式MZM調(diào)制器，每個(gè)調(diào)制器的長度為6mm。圖1b顯示了波導(dǎo)側(cè)壁的掃描電子顯微鏡圖像，展示了制造質(zhì)量。芯片的射頻封裝如圖1c所示，其中行波電極的一端連接到射頻輸入連接器，另一端連接到匹配電阻器，以獲得最佳的射頻性能。

圖1 PRTC的TFLN平臺(tái)。a PRTC芯片整體結(jié)構(gòu)的照片。b 波導(dǎo)側(cè)壁的掃描電子顯微鏡圖像。c 芯片的RF封裝。d 用于監(jiān)測(cè)的芯片光電探測(cè)器。e MZM的歸一化光傳輸是施加電壓的函數(shù)。f 光場(chǎng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的響應(yīng)、線性響應(yīng)（藍(lán)線）、測(cè)量結(jié)果（橙線）。g PRTC芯片中MZM的電光響應(yīng)。

TFLN平臺(tái)的電光性能如圖1e-g所示。光場(chǎng)對(duì)驅(qū)動(dòng)電壓的響應(yīng)如圖1f所示，其中藍(lán)線表示理想的線性響應(yīng)，橙線表示測(cè)量結(jié)果。由于鈮酸鋰的高線性度，測(cè)量的響應(yīng)與線性響應(yīng)顯示出極好的一致性，在1Vpp操作下實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于99.3%的線性度，在2Vpp操作下達(dá)到了97.9%的線性度。這種出色的線性特性使輸入電壓能夠直接映射到光場(chǎng)，而不需要查找表電路，從而顯著降低了外圍電路的復(fù)雜性。圖1g顯示了MZM的電光響應(yīng)，顯示了約100GHz的3dB帶寬，表明與現(xiàn)有硬件系統(tǒng)相比，計(jì)算速度可能提高近兩個(gè)數(shù)量級(jí)。這種高帶寬，再加上TFLN平臺(tái)出色的線性和CMOS兼容性，使其特別適合高速光學(xué)計(jì)算應(yīng)用。

圖2a為PRTC的實(shí)驗(yàn)演示，以評(píng)估計(jì)算精度。工作在1550nm波長的連續(xù)波（CW）激光器用作光源，其輸出被引導(dǎo)到PRTC芯片中。在輸出端口進(jìn)行相干光束組合之前，光信號(hào)由四個(gè)片上TFLN調(diào)制器進(jìn)行調(diào)制。然后，輸出光功率通過光電探測(cè)器（PD）轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并使用示波器記錄以供分析。四個(gè)TFLN調(diào)制器的調(diào)制信號(hào)是使用四信道高速任意波形發(fā)生器（AWG）生成的。數(shù)據(jù)速率設(shè)置為16GS/s（每秒64千兆采樣，每個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)4個(gè)采樣）。通過使用應(yīng)用于TFLN調(diào)制器的四組10000個(gè)隨機(jī)值進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證了PRTC的計(jì)算精度（圖2a）。對(duì)測(cè)量結(jié)果分析發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與地面真實(shí)值之間的誤差在16GS/s時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.21%，對(duì)應(yīng)于5.57位的計(jì)算精度（圖2b-e）。

圖2 PRTC計(jì)算精度的實(shí)驗(yàn)特征。a PRTC演示的實(shí)驗(yàn)裝置。b，c 16GS/s隨機(jī)輸入的實(shí)驗(yàn)輸出結(jié)果。d 用于計(jì)算4組10000個(gè)隨機(jī)輸入的精度測(cè)量的散點(diǎn)圖。e 10000個(gè)數(shù)據(jù)樣本的計(jì)算誤差直方圖。

為了系統(tǒng)地評(píng)估PRTC的計(jì)算能力，首先使用綜合驗(yàn)證框架進(jìn)行了廣泛的射線箱相交測(cè)試。此PRTC以16 GS/s的數(shù)據(jù)速率運(yùn)行，在交叉口檢測(cè)方面取得了94.6%的總體準(zhǔn)確率。圖3a顯示了100個(gè)測(cè)試用例的代表性子集的二進(jìn)制分類結(jié)果。為了深入了解PRTC的辨別能力，圖3b展示了九個(gè)特征測(cè)試用例及其相應(yīng)的幾何配置和計(jì)算輸出。當(dāng)所有六個(gè)值都為正時(shí)，滿足相交標(biāo)準(zhǔn)，從數(shù)學(xué)上證明光線相對(duì)于整個(gè)邊緣環(huán)保持一致的側(cè)向性。

圖3 射線箱交會(huì)測(cè)試PRTC的實(shí)驗(yàn)變化。a 對(duì)100組16GS/s數(shù)據(jù)速率的射線箱交會(huì)測(cè)試的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。b 100組交集測(cè)試結(jié)果中的9組，其中每個(gè)子圖的左側(cè)顯示交集的輸出，右側(cè)顯示相應(yīng)射線和框的可視化。

在光線盒截面測(cè)試中驗(yàn)證了PRTC的準(zhǔn)確性后，進(jìn)一步評(píng)估了其在完整光線追蹤渲染應(yīng)用中的性能。研究人員構(gòu)建了三個(gè)具有不同材料特性和幾何配置的測(cè)試場(chǎng)景。質(zhì)量指標(biāo)顯示，PRTC實(shí)現(xiàn)了與傳統(tǒng)計(jì)算相當(dāng)?shù)母呔�度渲染結(jié)果，如圖4所示。這些指標(biāo)表明，PRTC不僅保留了整體視覺外觀，而且準(zhǔn)確地捕捉了細(xì)節(jié)和材料屬性，證明了此光學(xué)計(jì)算方法在真實(shí)渲染應(yīng)用中的魯棒性。

圖4  光線追蹤渲染結(jié)果。a 渲染前的三個(gè)測(cè)試場(chǎng)景。b 由傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)渲染的參考圖像。c PRTC渲染的圖像.

總之，該團(tuán)隊(duì)所設(shè)計(jì)的PRTC作為光線追蹤加速的光子對(duì)應(yīng)物，可以大大加速光線交叉過程，減輕電氣元件的負(fù)擔(dān)。如表1所示，與現(xiàn)有的電子和光學(xué)平臺(tái)相比，此PRTC在計(jì)算速度和能源效率方面都有了實(shí)質(zhì)性的提高。

表1  PRTC與最先進(jìn)的電子和光學(xué)計(jì)算平臺(tái)的性能比較

PRTC的成功突顯了光學(xué)計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵原則：將計(jì)算架構(gòu)與特定應(yīng)用需求相匹配的重要性。通過專注于射線盒交叉測(cè)試并利用其二進(jìn)制特性，通過單比特ADC實(shí)現(xiàn)了實(shí)質(zhì)性的性能提升。這種方法展示了特定于應(yīng)用程序的優(yōu)化如何釋放光學(xué)計(jì)算平臺(tái)的全部潛力。

展望未來，這項(xiàng)工作出現(xiàn)了幾個(gè)有前景的研究方向。首先，在降低工作電壓和提高集成密度方面有了進(jìn)步，可以進(jìn)一步提高基于PRTC的系統(tǒng)的性能和效率。其次，通過采用具有二進(jìn)制驅(qū)動(dòng)能力的分段TFLN調(diào)制器，可以消除外部DAC開銷，實(shí)現(xiàn)PRTC和數(shù)字電子芯片之間的無縫接口。最后，PRTC技術(shù)與新興增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的整合為開發(fā)將高性能與能源效率相結(jié)合的下一代空間計(jì)算平臺(tái)提供了機(jī)會(huì)。通過共同設(shè)計(jì)電子管道和光子接口以最大限度地提高并行性，PRTC可以在這些應(yīng)用中充分發(fā)揮其潛力。

轉(zhuǎn)自：恒元光電

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