OES丨面向智能路由的光子脉冲强化学习芯片及系统

速读：郑凌，西安邮电大学副教授，硕士生导师，智能通信研究中心主任，西安电子科技大学博士后。

来源：光电期刊发布时间：2026/8/12 1:04:1

Opto-Electronic Science论文推荐西安电子科技大学和西安邮电大学联合团队以构建低时延、高能效、自适应的智能路由系统为目标，提出基于光子脉冲强化学习的 SDN 智能路由新架构，为下一代智能网络提供了全新技术路径。

文章 | Xiang SY, Chen YH, Zheng L et al. Photonic spiking reinforcement learning for i ntelligent routi ng. Opto-Electron Sci 5, 260005 (2026).

第一作者：项水英

通信作者：项水英、郑凌、潘伟涛

研究背景

随着云计算、大数据、人工智能与物联网高速发展，全球数据流量呈爆炸式增长，对通信网络的实时性、吞吐量与能效提出前所未有的严苛要求。相对于传统路由算法依赖静态链路权重、缺乏动态感知与收敛缓慢的缺点，基于深度强化学习的智能路由能够实时感知网络状态，具有多目标协同优化与自适应决策等优势，在数据中心、算力网络与未来6G等高动态、高并发场景具有广阔的应用前景。

但传统电子平台实现的神经网络存在功耗高、决策延迟大等瓶颈，难以满足边缘实时控制与大规模高速、高动态网络需求。光子计算凭借超高速、大带宽、低功耗与天然并行性，成为突破电子算力瓶颈的核心技术路线；而受生物脑机制启发的脉冲神经网络（SNN），更以事件驱动机制进一步提升能效。如何将光子脉冲神经计算与强化学习结合，构建超低时延、超高能效的智能路由系统，已成为光通信与人工智能交叉领域的关键科学问题。

在此背景下，西安电子科技大学和西安邮电大学联合团队提出基于光子脉冲强化学习的软件定义网络（SDN）智能路由新架构，为下一代智能网络提供了全新技术路径。

本文亮点

该研究以构建低时延、高能效、自适应的智能路由系统为目标，首次提出并实现面向SDN的光子脉冲强化学习智能路由系统，将SNN、近端策略优化（PPO）与光子计算芯片深度融合，在胖树数据中心拓扑上开展系统验证。研究设计了包含数据层、控制层与智能决策层的三层架构，利用光子计算硬件承担路由决策核心计算，实现网络状态实时感知与路由策略动态优化。成功解决传统路由算法适应性差、电子方案延迟与功耗过高的难题。

团队基于MZI阵列光子突触芯片与DFB-SA光子脉冲神经元芯片，构建软硬件协同推理平台，将脉冲Actor网络部署于光子硬件，在保证训练稳定的同时最大化发挥光子硬件的速度与能效优势。实验结果显示，在640组状态-动作样本验证中，软硬件协同框架的推理精度与纯软件算法完全一致。在多种流量负载下，所提光子脉冲 PPO 路由在吞吐量、丢包率、平均时延、负载均衡四大核心指标上全面显著优于经典Dijkstra算法，尤其在高负载下优势更加突出。在链路故障等拓扑变化场景下，系统仍保持优异鲁棒性与快速重收敛能力。

该成果首次实现光子脉冲强化学习与 SDN 智能路由的完整融合，建立了超低时延、超高能效的路由优化新范式，有望应用于大型数据中心、算力网络、卫星互联网与未来6G 网络，为空天地一体化实时网络优化提供关键技术支撑，促进了光子智能与通信网络交叉领域研究。

图1 面向SDN智能路由的光子脉冲PPO整体架构

图2 光子脉冲PPO算法的训练奖励和损失曲线。 PPO算法与Dijkstra算法的性能比较，包括吞吐量、负载均衡、丢包率和平均延迟

该工作近期以 “Photonic spiking reinforcement learning for intelligent routing”为题发表在Opto-Electronic Science。

该工作得到了国家自然科学基金项目(项目号62535015,62575231)的支持。

研究团队简介

项水英，西安电子科技大学教授/博士生导师，国家级青年人才，国家重点研发计划项目负责人，西安市光电计算与类脑智能重点实验室主任。长期从事光神经形态计算与光脉冲神经网络研究，以第一 / 通信作者在 Optica 、 Opto-Electronic Advances 、 Opto-Electronic Science、 Laser & Photonics Reviews、 PhotoniX等发表SCI检索论文150余篇（中科院1区、 2区100余篇），授权国家发明专利20余项，应邀撰写光神经形态计算领域综述10篇，连续3年入选“全球前2%顶尖科学家榜单 ” ， 2025年获中国光学工程学会自然科学一等奖（排名第一）。曾入选2016年度国家博士后创新人才支持计划（合作导师：郝跃院士）。主持国家重点研发计划项目，国家自然科学基金5项（1重点 + 1优青 +2面上 + 1青年），JKW前沿探索项目2项等。

个人主页：https://web.xidian.edu.cn/syxiang/

郑凌，西安邮电大学副教授，硕士生导师，智能通信研究中心主任，西安电子科技大学博士后。主要从事计算机网络、光通信与光计算等多学科领域的交叉融合研究，研究重点是下一代网络体系架构，智能通信网络，储备池计算与光神经网络、时间触发以太网/TSN 的FPGA实现等。主持国家自然科学基金、陕西省自然科学基础研究计划、陕西省教育厅专项科研计划、企业横向项目等多个项目。近年来累计发表SCI/EI论文30余篇，授权发明专利8项。

潘伟涛，西安电子科技大学副教授，硕士生导师。长期从事高性能网络交换架构的FPGA实现与芯片设计研究，在星载路由交换系统、时间触发以太网（TTE）确定性网络、 RDMA智能网卡，以及AI推理加速器的硬件架构设计与工程实现方面积累了丰富经验。主持或参与国家重大科研项目多项，成功流片HINOC系列（4代）、 TITAN网络处理器（UMC 28 nm ， 16核1.2 GHz ，四路40 Gbps线速处理）、安全智能网卡等多颗芯片；研制的星载路由器、交换机及端系统等核心IP核已有十余套在轨运行，搭载于卫星互联网低轨组网卫星、中国空间站天舟五号货运飞船以及新一代载人飞船等航天型号。 2023年获陕西省科学技术进步一等奖和陕西高等学校科学技术研究优秀成果一等奖。相关成果发表在 IEEE TC、 IEEE TVLSI、 IEEE TNNLS、 IEEE TCAS-II、 ICCAD、 DAC等期刊和会议上，授权发明专利100余项。目前重点关注面向星载智能计算的领域定制加速器架构设计与FPGA工程实现。

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主题：智能路由