试想一下：如果未来的人工智能，不再依赖庞大的机房服务器，而是装进一块巴掌大小的芯片里，以光速完成运算——那会是怎样的体验？或许你拿着手机，就能随时调用一个“光学超级大脑”，处理海量图像，相当于在一秒钟里看完一部电影的上万帧画面。

近日，上海理工大学顾敏院士团队在光子学期刊《光：快讯》（eLight）上发表最新研究成果：他们研发出一种三维高通量垂直集成光芯片，成功实现了每秒2500万帧图像处理的惊人速度。这块“光学GPU（光学图像处理器）”，有望为人工智能和算力的发展带来全新可能。论文第一作者董毅博博士介绍，这项研究将一个原本需要一整张桌面才能搭建的光计算系统，压缩进了一枚可以放在手里的芯片中。

传统的电子芯片依靠电流传输信息，但随着AI模型越来越庞大，电子芯片遇到了速度和能耗的瓶颈。光芯片则不同，它利用光来计算和传输数据，天然具备“并行+高速+低功耗”的优势。顾敏院士团队本项工作的创新点在于，把一整套光计算系统“立体堆叠”在一起。核心器件是一种特殊的激光器阵列，叫做VCSEL（垂直腔面发射激光器）。它们就像一个个“光点像素”，不仅能发光，还能直接把图像信息编码进去，再送入光学神经网络进行超快计算。更巧妙的是，这些VCSEL之间彼此“不同步”，形成了独特的非相干特性。听上去专业，但带来的效果却是显著的：运算更稳定，抗干扰能力更强，效率也更高。

在实验中，这枚芯片展示了“光速推理”的能力：1000张图像只需40微秒即可识别完成，速度相当于每秒2500万帧。更令人惊讶的是，它每帧图像所需的光能量密度甚至只有阿焦耳级别，相当于负十八次方焦耳。论文通讯作者栾海涛副研究员形象地比喻，如果把现有的电子AI芯片比作“燃油车”，那么光芯片就是一辆几乎不耗电的“光速高铁列车”，在高速的同时还实现了低能耗。

这块芯片并不仅仅能做识别，还能完成图像处理，比如多种边缘检测和降噪操作。研究团队通过巧妙设计，让芯片在光传播的同时就完成卷积运算，相当于把常见的图像处理工具“写进了光里”。

这项成果不仅为人工智能算力开辟了新的路径，也展示了光芯片走向实用化的重要一步。研究人员表示，目前的处理速度远未触及物理极限，未来有望突破到上亿帧/秒。随着进一步优化，这类芯片有望在智能驾驶、医疗影像、机器视觉乃至大模型加速等领域大显身手。顾敏院士说：“我们希望未来的人工智能，不仅更强大，而且更轻便、更节能。”

论文原理图

论文链接: https://doi.org/10.1186/s43593-025-00106-9