清華大學電子系研究結果新進展

清華大學電子系陳宏偉課題組在集成光計算領域取得進展

機器學習技術已廣泛應用于高性能信息處理領域，與此同時，在解決各類復雜任務時對于計算容量、計算速度以及能耗等的要求也越來越高。然而，現有硬件的計算速度受到傳統馮·諾依曼體系結構的嚴重限制，隨著計算過程所需時間的增長，計算效率將變得低下，能耗也會更大。近年來，光子方法在執行涉及復雜計算的深度學習過程方面顯示出了非凡潛力，國內外多家研究機構陸續提出了集成光子神經網絡的新架構，如基于馬赫增德爾干涉儀（MZI）、微環諧振腔（MRR）以及波分系統設計的光子神經網絡等。然而，現階段集成光子神經網絡普遍存在計算單元大規模拓展受限的問題，嚴重限制了計算容量的進一步提高。

清華大學電子系陳宏偉教授課題組提出了一種基于亞波長結構的集成衍射光子神經網絡（DONN），克服了空間衍射光子神經網絡的體積限制，不僅大大提高了計算單元的集成度，同時減少了由于龐大的體光學元件和系統校準而產生的誤差。對于其他集成光子神經網絡而言，DONN 芯片擺脫了波導數目的制約，更容易實現計算單元的片上大規模拓展，從而解決了集成光子神經網絡的高計算容量問題。本研究中實現的 DONN 光計算芯片，其計算吞吐量可達 1.38×104TOPS（TOPS：Trillions of operations per second，每秒萬億次操作），芯片算力密度可達 1016FLOPS/mm2（FLOPS：Floating-point operations per second，每秒浮點操作數），能量消耗約為 10-17J/FLOP（FLOP：Floating-point operation，浮點操作）。該 DONN 芯片具有完全的國內自主知識產權，制備工藝也完全在國內實現，與標準互補金屬氧化物半導體（CMOS）工藝兼容，滿足大規模、低成本生產條件。

陳宏偉課題組系統性地完成了集成衍射光子神經網絡芯片的理論探索、仿真驗證、結構設計、版圖繪制、芯片加工、封裝以及系統誤差補償等全過程驗證。該成果將集成光子神經網絡芯片的實用性顯著提高，有望在一個芯片上實現多個 DONN 計算單元的集成，從而使得片上光計算系統具有更強的處理能力，這將大大推動集成光計算、光子智能等領域的快速發展。

圖 2. DONN 封裝實物圖、芯片結構及測試結果

該成果以「基于片上衍射光學的光子機器學習」（Photonic machine learning with on-chip diffractive optics）為題發表在《自然?通訊》（Nature Communications）上。

電子工程系 2020 級博士生符庭釗為文章的第一作者，陳宏偉教授為文章通訊作者。其他作者包括清華大學電子工程系陳明華教授和楊四剛副研究員等。本研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金重點項目等的支持。

清華大學電子系盛興課題組合作開發出三維光電生物活性支架

開發新型的神經調控技術，對單個神經元或者特定神經網絡的活動進行實時、精確地激活和/或抑制，對于深入理解大腦的運行機理、開發神經疾病治療手段等都具有重要的意義。生物支架在組織修復、疾病治療等生物醫學工程技術中扮演著極其重要的角色。

傳統的生物支架主要起著力學支撐的作用，生物功能較為單一，為了提高其生物活性，往往需要添加生長因子、藥物等生物化學物質。然而，生物化學物質在體內的釋放過程中面臨著可控性差，時空分辨率低以及時效性短等問題。相比較而言，基于光電信號等物理場的生物調控方式具有可控性好、時空分辨率高、作用周期長等優點，使其在生物調控等領域有著廣闊的應用前景。

圖 1. 三維光電生物支架示意圖

近日，清華大學電子工程系盛興副教授課題組與合作者開發了一種具備光電功能的新型生物活性支架，研究者將薄膜單晶硅器件與有機生物材料集成，結合微納加工技術，制備了具有多層級結構、仿天然骨組織的三維光電生物支架。在光照情況下，薄膜單晶硅器件可產生電信號，能夠刺激并調控骨髓干細胞的活動，并進一步促進動物缺損顱骨組織的修復與再生。與傳統電刺激方式相比，這種無線的光電刺激方式可以減少導線連接對周圍組織造成損傷。此外，包含薄膜硅的支架結構可以在生物體內安全降解，具備良好的生物相容性，能夠避免二次手術，降低感染的風險。這種可生物降解、無線遠程供能、具備光電活性的新型生物支架，為組織工程研究和臨床應用開辟了新思路。

圖 2. 三維仿生光電生物支架及其生物可降解特性

研究團隊將薄膜硅器件與骨髓干細胞、生物組織等結合，構建了光電生物界面，在不需要引入光遺傳學等基因編碼工具條件下，借助光照時硅與細胞界面處產生的極化光生電場，實現了對骨髓干細胞膜電位、胞內鈣離子活動、增殖分化等生理活動的有效調控。

圖 3. 薄膜硅器件的光電響應及其對干細胞膜電位和鈣離子濃度的光電調控作用

進一步，研究人員將薄膜單晶硅器件與羥基磷灰石等生物材料集成，制備了仿天然骨組織的三維生物支架，利用薄膜硅賦予支架光電活性，使其具備光電響應功能。在活體動物實驗中，三維光電生物支架被植入大鼠顱骨缺損部位，利用支架的光電刺激作用，有效地促進了顱骨組織的修復與再生，完成了光電生物支架系統在生物醫療領域的驗證與應用。

圖 4. 光電生物支架促進大鼠顱骨修復

該研究成果以「三維仿生光電生物支架促進顱骨修復」（A 3D Biomimetic Optoelectronic Scaffold Repairs Cranial Defects）為題發表于《科學·進展》（Science Advances）。

文章的共同通訊作者為清華大學電子工程系、清華-IDG/麥戈文腦科學研究院盛興副教授和北京大學口腔醫學院副主任醫師王宇光，第一作者為清華大學電子工程系博士生王華春，合作者來自北京協和醫院，北京大學口腔醫院，積水潭醫院，清華大學電子工程系、材料學院、生命科學學院等單位。該研究獲得國家自然科學基金、北京市自然科學基金、清華大學自主科研計劃、清華大學電子系自主科研項目、清華大學新型陶瓷與精細工藝國家重點實驗室等項目的支持。