近日，华中科技大学武汉光电国家研究中心董建绩教授团队、夏金松教授团队开展合作，成功开发首款用于加速射线追踪的光子计算芯片。该技术通过在光域中进行射线-包围盒的相交测试运算，为解决图形学中实时、高逼真度渲染的瓶颈提供了全新解决方案。相关研究成果发表在学术期刊《Nature Communications》上，题为 Thin-film lithium niobate photonic circuit for ray tracing acceleration 。

从娱乐、办公到教育、医疗，增强现实（AR）和虚拟现实（VR）等空间计算技术正在将数字信息无缝融入物理世界。这需要计算机实时、精确地模拟出现实世界中的视觉效果，从而创造出沉浸式的体验。射线追踪（Ray Tracing）是实现这一目标的一种主流技术，它通过模拟光的传播、反射和折射来生成逼真的图像。然而，射线追踪涉及海量的计算，特别是射线与物体的相交测试，占用了绝大部分运算量。当前的CPU和GPU等电子芯片在处理实时射线追踪时，正面临着功耗、算力和延时等多重瓶颈的制约，尤其对于AR眼镜等便携式设备而言，这一挑战尤为严峻。

为此，研究团队提出并展示了一种用于在光域中执行射线-包围盒相交测试的光子射线追踪核心（PRTC）。该芯片基于先进的薄膜铌酸锂（TFLN）光子平台构建，利用薄膜铌酸锂的高速调制优势，实验中获得了2.762 TOPs/J的能效（理论值可达18.7 TOPs/J）和超过100 GHz的带宽。相比于传统电子显卡（如NVIDIA RTX系列），在计算速度和能效方面均可实现提升。其结构如图1所示。

图1：光子射线追踪核心（PRTC）的概念、架构与性能。图中展示了PRTC在空间计算中的应用场景、其核心工作原理、基于薄膜铌酸锂平台实现的芯片架构，以及该芯片在能效和计算速度上的优势。

该芯片充分利用了TFLN超高带宽、高线性度和低驱动电压的光电特性。与传统硅光子技术相比，TFLN平台有效克服了性能上的局限性，实现了超过100 GHz的调制带宽和CMOS兼容电压下的高线性度响应。更核心的创新在于，研究团队巧妙地利用了射线追踪中“相交测试”结果的二元性（即是否击中）。这一特性使得光计算结果的转换不再需要高精度的模数转换器（ADC），仅需1比特ADC即可完成。此项设计解决了长期以来制约模拟光计算发展的“ADC功耗瓶颈”问题，该瓶颈由ADC随位宽指数级增长的功耗导致，严重削弱了光计算的能效优势。

该研究工作不仅展示了光子芯片在解决图形计算问题上的巨大潜力，更通过巧妙的应用导向型架构设计，成功绕开了模拟光计算长期存在的ADC瓶颈。这一成果为实现光电混合的专用图形加速器开辟了全新路径。这种光电协同的工作模式，为开发面向高端游戏、工程3D建模等领域的下一代高性能、低功耗计算平台提供了坚实的技术基础。

该工作受到了国家自然科学基金项目资助，博士生张世纪和硕士刘子溪为该工作的共同第一作者，曾成副教授、夏金松教授、董建绩教授和张新亮教授为该工作的共同通讯作者。