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中大研發全光訊號處理器 突破AI跨數據中心傳輸瓶頸
1.6Tb/s極速、60皮秒低延遲 助綠色AI運算
香港中文大學（中大）領導的研究團隊成功研發出一種新型集成式全光訊號處理器（all-optical signal processor，OSP），以應對下一代人工智能（AI）系統對數據傳輸的龐大需求，尤其適用於多個數據中心之間的高速連接。
該OSP設置在矽光子晶片上，可在光訊號仍然以「光」的形式傳輸時，即時修正訊號失真，毋須先把光轉成電訊號再處理。換言之，它可更快、更有效地處理高速傳輸中的訊號問題，有助提升大型AI系統中不同伺服器及數據中心之間的通訊效率。
實驗結果顯示，OSP可在每秒1.6 Tb/s（兆兆位元）的總傳輸速率下進行實時處理，延遲低於60皮秒（即一萬億分之一秒），而耗電量亦非常低，只有每比特數十飛焦（femtojoules per bit）。這項成果有助突破現時數碼訊號處理技術在速度、延遲和耗電方面的瓶頸，為超低延遲及綠色AI超級運算提供突破性的解決方案。相關成果已發表於國際頂級學術期刊《Science》。
AI急速發展帶動大規模分布式數據中心對高速傳輸的需求
隨著AI技術快速發展，現代AI系統已不再局限於單一電腦或數據中心內運行。現時不少大型生成式AI模型，往往需要成千上萬的圖像處理器（GPU）和專用加速器，分布於不同地點同步運作。要讓這些系統高效運行，各個計算單元之間必須能夠快速、穩定地交換大量數據。因此，除了計算能力本身，高頻寬、低延遲及低功耗的通訊技術，已成為AI發展不可或缺的關鍵因素。
中大電子工程學系助理教授黃超然教授表示：「光纖通訊是現代數據傳輸及數據中心互連技術的基礎。然而，傳統數據中心互連技術愈來愈難以滿足現代 AI 系統在規模和速度上的需求。而隨著傳輸速率不斷提升，訊號失真問題便會更明顯；若仍依賴電子方式處理訊號，則會加劇延遲，並出現顯著的功耗。」
直接用「光」修正訊號 提升效率
為應對這一挑戰，黃教授團隊聯同華中科技大學和復旦大學的研究人員，研發出這款集成式OSP。與傳統方法不同，OSP可在光訊號進行光電轉換前，直接以光學方式修正失真的訊號，從而減少處理時間和能源消耗，並提高整體傳輸效率。
這項技術的設計靈感來自神經形態計算及機器學習。研究團隊透過精密調諧晶片內部的光路，讓OSP能更仔細地分析高速光訊號中複雜的時間特徵，從而更準確地修正訊號問題。
此外，OSP亦可作為可編程的非線性均衡器，可按不同傳輸情況靈活調整，用以補償多種常見的訊號損傷，包括光纖傳輸造成的色散、接收器和發送器頻寬不足的影響，以及光纖及器件在高負載下出現的非線性失真。由於OSP可在光電轉換前保留更完整的光場資訊，因此在多個場景的測試中，它比傳統基於數碼訊號處理的方法更能有效修正失真，並有潛力把受色散限制的可用波分多工（WDM）頻寬擴大至6.8倍以上，進一步提升每條光纖的傳輸容量。其可編程特性亦使系統可因應不同的訊號損傷場景、波長、數據速率和調制格式進行動態調整，展現出良好的靈活性和可擴展性。
在實驗中，OSP可同時處理8個波長通道的訊號，每個通道以100 Gbaud PAM4速率運行（即約每通道200 Gbit/s），總吞吐量達1.6 Tb/s。研究亦顯示，其處理延遲低於60皮秒，甚至短於許多數碼系統中的單個時鐘周期，而耗電量則穩定維持在每比特數十飛焦的水平。這些結果顯示，OSP有潛力應用於未來高速數據中心互連、跨地域AI訓練，以及其他需要超高速、低延遲傳輸的場景。
推動光訊號處理技術邁向新階段
從更宏觀的角度來看，這項研究亦反映光通訊技術的持續演進：半個多世紀前，中大前校長、被譽為「光纖之父」的高錕教授，提出利用低損耗光纖進行長距離通訊的構想，奠定現代互聯網的基石。是次研究延續這項重要傳承，展示未來技術不僅可利用光來「傳輸」訊號，更進一步以光來直接「處理」訊號，為下一代通訊和計算系統帶來新可能。
黃超然教授為論文的通訊作者，其他作者包括中大博士生王本善（第一作者）、肖洽榮（共同第一作者）、徐滕基、范理及劉少傑；以及其他合作者（中大孔秋強教授、華中科技大學董建績教授和復旦大學張俊文教授）。論文全文請參閱：https://www.science.org/doi/10.1126/science.ady5344
中大團隊成功研發新型集成式全光訊號處理器，應對下一代人工智能（AI）系統對數據傳輸的龐大需求，團隊成員包括電子工程學系助理教授黃超然教授（前排中）、博士生王本善（後排左三）及肖洽榮（前排左一）等。
分布式數據中心需要依靠高速光互連系統，才能支持大規模AI發展，但當傳輸速度愈來愈高，訊號失真、延遲和耗電亦會成為挑戰。中大團隊研發的集成式OSP，可在光訊號仍未轉成電訊號前即時修正失真，處理延遲低於60皮秒，耗電量亦非常低，有助提升傳輸容量，加速跨數據中心的AI訓練。
OSP的架構由3個光子儲備池和8個讀出通道組成。研究團隊透過精密調諧晶片內的光延遲線，令系統可實現極高時間取樣解析度，從而更有效處理高速光訊號。
帶有電氣線鍵合和光纖陣列的封裝OSP晶片
OSP的色散補償性能對比。（左）在測試條件下，OSP修正訊號失真的效果比傳統數碼訊號處理方法更佳。（右）與過往已報道的光學處理器相比，OSP可在達到單波長200Gbit/s高速數據處理。
OSP在頻寬限制及非線性效應下的補償效果。
（A-F）實驗結果顯示訊號損傷及設備頻寬限制會令訊號質素下降。使用OSP後，訊號明顯更清晰，質素更佳。
（G-H）在非線性效應的情況下（如高功率傳輸），OSP較傳統數碼訊號處理方法的表現更佳。
這組結果用以驗證OSP的可編程能力，顯示其可靈活適應不同傳輸情況。
（A-D）OSP在不同波長、數據速率及調製格式下，仍可維持良好訊號質素。
（E）系統經過簡單訓練後即可穩定運作。
（F）OSP可按不同應用需要進行調整，具備良好靈活性。
OSP支援高速數據中心互連傳輸，總速率高達1.6 Tb/s。
（A）集成OSP的高速光收發器可同時處理8個波長通道，並修正失真的光訊號。
（B）與未經處理或只使用傳統方法相比，使用OSP可明顯減少傳輸錯誤。
（C）若將OSP與少量傳統數碼訊號處理技術結合，可進一步提升長距離傳輸效能。
