Coherent Microcomb-enabled Integrated Photonic Convolution Engine for Energy-Efficient AI

Description du projet

Des solutions photoniques évolutives pour les systèmes d’IA

L’avenir du matériel informatique destiné à l’IA repose sur l’exploitation de la lumière. Contrairement aux processeurs électroniques traditionnels, confrontés à des limites en matière d’efficacité énergétique et de bande passante, les circuits intégrés photoniques utilisent la lumière pour traiter l’information, offrant ainsi des vitesses supérieures et une consommation d’énergie réduite. Avec le soutien du programme Actions Marie Skłodowska-Curie, le projet CoMiPCE vise à développer un moteur de convolution photonique sur silicium. Le système intégrera des technologies photoniques avancées, notamment des micropeignes pour générer une lumière à large bande passante, des dispositifs programmables de mise en forme spectrale pour encoder les poids, des modulateurs ultrarapides pour traiter les données et des guides d’ondes pour retarder et amplifier efficacement les signaux. Ces composants seront combinés grâce à une intégration hybride et hétérogène. Cette approche innovante offrira une évolutivité et des performances inégalées, ouvrant la voie à une nouvelle génération de systèmes d’IA capables de surmonter les limites de l’électronique traditionnelle.

Objectif

With rapid advances of artificial intelligence (AI), conventional electronic processors are constrained by bandwidth and energy efficiency in the post-Moore era, increasingly struggle to serve large-scale, high-concurrency AI tasks within the existing von Neumann-based framework. Leveraging the inherently high bandwidth, multiple dimensions, low latency, and superior energy-efficiency of light, photonic integrated circuits (PICs), on the other hand, are promising to provide a compelling pathway for advanced AI models. To achieve this goal, the main objective of the CoMiPCE research action is to realize a fully integrated photonic convolution engine (PCE) on a scalable silicon platform by combining best‑in‑class devices and processes through hybrid and heterogeneous integration. The CoMiPCE heterogeneously integrates a diverse set of photonic devices on silicon substrates, and co-integrates them with silicon PICs through hybrid packaging to build a fully integrated PCE system, targeting remarkable throughput and energy-efficiency for AI workloads, in which the convolution operator is implemented via composite time-phase-frequency-polarization encoding based on high-speed coherent microcomb modulation. The CoMiPCE addresses the bandwidth and energy efficiency of electronic accelerators by consolidating hybrid integrated silicon nitride self-injection-locking (SIL) microcomb, programmable silicon nitride weight spectral shaping, ultrafast coherent heterogeneous lithium tantalate modulation, erbium-doped silicon nitride waveguide dispersive delay with amplification, as well as coherent silicon PIC accumulation detection, into the full-chain hybrid integrated system. Collectively, the CoMiPCE will introduce coherent SIL microcomb source, hyper-dimensional encoding, high-speed analog computation, to deliver a fully integrated, highly parallel and scalable PCE for next‑generation energy-efficient AI hardware.