フォトニックMixture-of-ExpertsチップPMoE、多機能光コンピューティングを拡張(Photonic Mixture-of-Experts Chip PMoE: Scaling Multi-Task Optical Computing in “Width”)

2026-08-18 清華大学

清華大学の陳宏偉教授らの研究チームは、光ニューラルネットワーク向けの新しいチップアーキテクチャ「PMoE(Photonic Mixture-of-Experts)」を開発した。従来の光コンピューティングはネットワークの深さ(Depth)を増やして性能向上を図っていたが、光損失や誤差蓄積、制御の複雑化が課題だった。PMoEは大規模言語モデルなどで用いられるMixture-of-Experts(MoE)の概念を光計算に導入し、複数の光学エキスパートネットワークを並列配置することで、ネットワークの幅(Width)方向に拡張する方式を採用した。入力はルーティング機構により適切な光エキスパートへ振り分けられ、出力を統合して共有デジタルネットワークで処理するため、光学重みの再設定なしに複数タスクへ対応できる。MNIST、Fashion-MNIST、Extended-MNISTによる評価では、疎結合型で平均94.8%、密結合型で97.1%の分類精度を達成し、従来方式を上回る性能を示した。また、複数の独立した光ニューラルネットワークを用いる場合と比べ、デジタル側パラメータ数を約67%削減した。試作チップは0.067mm²の演算コア内に3つの光エキスパートと18個の並列光畳み込みカーネルを集積し、10GHz動作時に3.06TOPS、演算密度45.7TOPS/mm²を実現する見込みである。研究成果は2026年6月にNature Communications誌へ掲載された。

フォトニックMixture-of-ExpertsチップPMoE、多機能光コンピューティングを拡張(Photonic Mixture-of-Experts Chip PMoE: Scaling Multi-Task Optical Computing in “Width”)
PMoE concept, on-chip architecture, and data-processing workflow

<関連情報>

スケーラブルなマルチタスクオンチップ光ニューラルネットワークのためのフォトニック混合エキスパート Photonic Mixture-of-Experts for scalable multi-task on-chip optical neural networks

Wencan Liu,Zhenghang Zhang,Peng Meng Chan,Run Sun,Yutong He,Yuhao Wang,Caihua Zhang,Sigang Yang,Tingzhao Fu,Yuyao Huang,Chaoran Huang & Hongwei Chen
Nature Communications  Published:03 June 2026
DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-026-73983-4

Abstract

Photonic computing offers an energy-efficient, high-bandwidth platform for artificial intelligence (AI) but currently faces scalability bottlenecks stemming from depth-dependent designs, linear optical structures, and intrinsic optical losses, along with high hardware and reconfiguration costs for multi-task processing. Here, we present a scaling paradigm that circumvents these limitations by expanding network width rather than depth, leveraging the intrinsic parallelism of photonics. We implement a scalable Photonic Mixture-of-Experts (PMoE) architecture, where parallel photonic cores function as expert networks. By dynamically routing inputs to these experts, the PMoE efficiently executes multi-task workloads without altering the physical optical weights. We fabricated a PMoE chip integrating three collaborative diffraction-based expert networks, featuring 18 parallel kernels within a compact intrinsic computational-core footprint of 0.067 mm2. Experimentally, the PMoE chip achieves multi-domain image classification with an average accuracy of 97.1%. While offering further scalability, this approach outperforms conventional optical networks and reduces digital parameter overhead by 67%. Our work underscores the scalability and efficiency of the PMoE architecture for next-generation large-scale photonic AI processors.

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