上海交通大学徐绍夫团队：打通器件、架构与系统，给光计算建立性能标尺 |《光学学报（网络版）》封面

《光学学报（网络版）》精心策划并推出“先进集成微波光子科学与技术”特色专题，首批文章于2026年第14期正式出版。本文为当期封面文章。

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封面以集成光计算芯片为主体，片上波导与光电器件构成光计算系统的物理基础。芯片上方的代码窗口和性能指标评估结果窗口，象征对集成光计算系统进行参数建模、程序化求解与多维性能评估的过程。芯片与窗口之间的光束连接，以视觉化方式表现底层器件参数、计算架构和系统性能之间的跨层级映射关系。整体画面呈现了从物理芯片到软件评估框架的性能建模与分析场景。

全文链接：余映红, 徐绍夫, 张少阳, 蓝盾, 史航宇, 邹卫文. 集成光计算系统的跨层级性能建模与评估方法（特邀）[J]. 光学学报（网络版）, 2026, 3(14): 1404002.

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本文提出了一种面向集成光计算系统的跨层级性能建模与评估方法。首先构建了跨层级性能映射框架，关联底层器件参数与高层性能指标；随后建立了涵盖信号质量、物理开销与综合效能的多维评估模型，并实现程序化求解；最后，通过典型光计算方案的基准测试，验证了该方法在方案比较、参数权衡与光电协同设计中的应用价值。

Part.01

研究背景

随着人工智能和大规模信息处理快速发展，传统电子计算在互连带宽、功耗和系统扩展等方面面临越来越大的挑战。集成光计算因具备大带宽、低时延和多维并行复用等优势，成为突破算力与能效瓶颈的重要方向。然而，集成光计算系统并不是单一器件或架构性能的简单叠加，其整体表现同时受到底层器件损耗、串扰、噪声累积、计算拓扑组织以及外围电路支撑等因素影响。现有研究多聚焦于器件、架构或系统中的某一层级，缺乏能够贯通不同层级、统一量化多维性能的评估方法。因此，建立面向集成光计算系统的跨层级性能建模与评估框架，对于揭示性能形成机制、支撑方案比较和指导光电协同设计具有重要意义。

Part.02

研究内容与亮点

在上述背景下，本文针对集成光计算系统跨层级耦合复杂、多维性能难以统一评估的问题，提出贯穿“器件-架构-系统”的跨层级性能建模与评估方法。该方法将器件非理想特性、光计算拓扑结构与外围电子学开销纳入统一框架，建立由底层物理参数到系统级性能指标的定量映射关系，为方案比较、参数权衡与光电协同设计提供分析依据。

图1展示了集成光计算跨层级抽象与性能映射框架。该框架覆盖材料、器件、模块、架构、系统与应用等层级，其中“器件-架构-系统”构成性能建模的核心主线。器件层用于描述波导损耗、调制器带宽、激光器噪声、探测器响应度等底层物理参数；架构层用于表征光域计算核心中的信号传播、拓扑连接与并行复用；系统层则进一步纳入数模/模数转换、驱动电路、后端读出和数字控制等外围支撑环节。通过这种分层建模方式，本文将原本分散在不同层级的性能影响因素组织到统一框架中。

MRR: micro-ring resonator; PCM: phase change material;EOM: electro-optic modulator;TOM: thermo-optic modulator;PD: photodetector;MVM: matrix-vector multiplication; MMM: matrix-matrix multiplication;DAC: digital-to-analog converter;ADC: analog-to-digital converter;IL: insertion loss;SNR: signal-to-noise ratio.

图1 集成光计算跨层级抽象与性能映射框架

在性能指标建模方面，研究人员分别建立了架构层和系统层的多维性能表征模型。表1归纳了架构层插入损耗、信噪比、功耗、吞吐量、时延和面积等基础指标的计算关系，用于描述光域计算核心本身的性能形成过程。表2进一步给出了系统层性能模型，将外围电子学模块引入的噪声、功耗、时延和面积开销叠加到架构层结果之上，并通过系统利用率修正吞吐量。基于这些基础指标，本文进一步统一定义了等效精度、能效和计算密度等综合性能指标，为不同集成光计算方案的横向比较提供了统一尺度。

表1 架构层多维性能表征模型

表2 系统层多维性能表征模型

为提高模型的通用性和可操作性，研究人员进一步构建了程序化的跨层级评估框架。图2展示了该框架的映射拓扑与自动化求解链路：底层由器件参数文件、架构声明文件和系统声明文件提供输入，中间计算模块分别完成架构层和系统层性能求解，最终输出多维性能指标。框架内置典型光电器件物理基准参数库，可在缺少完整实测数据时提供默认输入，并支持后续依据具体器件平台和实验结果进行参数替换与扩展。

图2 跨层级评估框架的映射拓扑与自动化求解链路

在案例验证方面，研究人员选取了三类具有代表性的集成光计算方案进行统一评估，包括HITOP、MVMP和PPU，分别对应点积计算、MZI-mesh结构和MRR权重阵列结构；通过提取关键路径、组件清单和并行度信息，不同物理实现形式被转换为规范化的架构声明文件，从而进入同一评估流程。表3中展示了模型计算值与文献参考值的对比结果，表明该框架能够较好复现典型方案的性能量级与变化趋势。同时，不同方案在计算密度、吞吐量、能效和系统开销等方面表现出不同优势，进一步体现了该方法在集成光计算方案比较、参数权衡与光电协同设计中的定量分析价值。

表3 典型异构集成光计算方案的跨层级性能评估与基准对比

Part.03

总结与展望

本文针对集成光计算系统跨层级耦合复杂、多维性能难以统一评估的问题，提出了贯穿“器件-架构-系统”的跨层级性能建模与评估框架。该框架通过标准化拓扑映射与程序化求解，建立了由底层器件参数到高层性能指标的定量分析链路，实现了对信号质量、物理开销及综合效能的统一评估。典型案例验证表明，该方法能够刻画不同方案的性能特征与跨层级制约关系，为方案比较、参数权衡与光电协同设计提供依据。

未来，可进一步扩展前沿材料、器件工艺与新型光计算架构的物理基准参数库，并结合多目标优化和自动化架构搜索方法，为特定应用需求下的光电协同系统优化和设计探索提供支撑。

通信作者简介

徐绍夫，上海交通大学集成电路学院长聘教轨副教授，博士生导师，主要研究方向包括微波光子学、光子计算、光电集成技术等。在Nature Communications、Light：Science & Applications 等国际期刊上发表SCI论文40余篇，授权中国发明专利20项，授权美国发明专利5项。主持自然科学基金委青年科学基金（C类）、面上项目、上海市科委基础科研项目、交大2030计划等。

课题组主页：https://imlic.sjtu.edu.cn/

期刊简介

《光学学报（网络版）》创刊于2024年10月，是经国家主管部门批准，中国激光杂志社在高水平学科刊群数字化建设中创办的第11本期刊。

作为《光学学报》姊妹刊，作为中国光学首本网络刊，《光学学报（网络版）》秉承“对作者友好，对读者有用”的办刊理念，以“审稿录用追光速，成果发表快人一步”为己任，依托网络出版优势，不限体量与形式，报道光学全领域的学术动态和最新科研成果。论文类型包括：快报、简讯、研究论文、综述等，同时支持视频、音频、数据库等信息辅助论文增强出版。

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