全光信号处理器问世，打破AI数据中心传输瓶颈！

由香港中文大学（CUHK）牵头的研究团队开发出一款新型集成全光信号处理器（OSP），用以应对下一代人工智能系统对海量数据传输的需求，尤其是多个数据中心之间的高速互联场景。这款全光信号处理器基于硅光子芯片制造，能在光信号仍以光的形式存在时，实时校正信号失真，无需先将其转换为电信号再做处理。换言之，它能够更快速、更高效地处理高速传输中的信号损伤，有助于提升大规模AI系统中服务器与数据中心之间的通信效率。

实验结果显示，该全光信号处理器可在1.6 Tb/s（太比特每秒）的总数据速率下进行实时处理，延迟低于60皮秒（万亿分之一秒），每比特能耗仅为几十飞焦，功耗极低。这一成果有助于突破传统数字信号处理（DSP）技术在速度、延迟和功耗方面的瓶颈，为超低延迟和绿色AI超级计算提供颠覆性解决方案。

AI迅猛发展，驱动大规模分布式数据中心对高速传输的需求

随着AI技术的高速演进，现代AI系统已不再局限于单台计算机或单个数据中心。许多大型生成式AI模型如今需要成千上万个图形处理器（GPU）和专用加速器跨多个地点同步工作。要让这些系统高效运行，计算单元之间必须能够快速、可靠地交换海量数据。因此，除了算力本身，具备高带宽、低延迟和低功耗的通信技术，已成为AI发展不可或缺的一环。

“光纤通信是现代数据传输和数据中心互联技术的基石。然而，传统数据中心互联技术越来越难以跟上现代AI系统对规模和速度的要求。”香港中文大学电子工程学系助理教授黄超然表示，“随着传输速率不断攀升，信号失真变得更加严重，而若信号处理仍依赖电子方式，还会引入严重的延迟和显著的功耗。”

直接用光校正失真信号，效率更高

为应对这些挑战，黄超然团队联合华中科技大学和复旦大学的研究人员，开发出集成全光信号处理器。与传统方案不同，该处理器能在光—电转换之前，直接在光域中校正失真信号，从而减少处理时间和能耗，同时提升整体传输效率。

该技术的设计受神经形态计算和机器学习启发。通过精确调节芯片内部的光路，研究团队使全光信号处理器能够更有效地分析高速光信号的复杂时间特征，从而更准确地纠正信号损伤。

此外，该处理器还充当一种可编程非线性均衡器，能够根据不同传输场景灵活调整，补偿各类信号损伤，包括光纤色散、接收端与发射端带宽受限带来的影响，以及光纤和器件在大负载下产生的非线性失真。由于在光—电转换之前保留了完整的光场信息，该全光信号处理器在多种测试场景中，均表现出优于传统基于DSP方法的失真校正能力。

它还有望将受色散制约的可用波分复用（WDM）带宽扩展6.8倍，从而进一步提升每根光纤的传输容量。其可编程特性还能使系统动态适配不同的损伤场景、波长、数据速率和调制格式，展现出高度的灵活性和可扩展性。

在实验中，该全光信号处理器同时处理八个波长通道的信号，每个通道运行在100 Gbaud PAM4（相当于每通道200 Gbit/s），总计实现1.6 Tb/s的吞吐量。研究还表明，其处理延迟低于60皮秒，比许多数字系统的单个时钟周期还短，而每比特能耗稳定在几十飞焦的水平。这些结果表明，该全光信号处理器在未来高速数据中心互联、跨区域AI训练及其他需要超高速、低延迟数据传输的场景中具有巨大潜力。

推动光信号处理迈入新阶段

从更宏观的视角看，这项研究折射出光通信技术的持续演进。半个多世纪前，香港中文大学前校长、“光纤之父”高锟提出利用低损耗光纤进行远距离通信，为现代互联网奠定基础。本研究承继这一重要遗产，表明未来技术不仅可以利用光来传输信息，还可以直接用光来处理信息，为下一代通信与计算系统开启新的可能。

相关链接：https://dx.doi.org/10.1126/science.ady5344