The growing computational demands of artificial intelligence (AI) are challenging conventional electronics, making photonic computing a promising alternative. However, existing photonic architectures face fundamental scalability and reliability barriers. This paper introduces SKYLIGHT, a scalable 3D photonic in-memory tensor core architecture designed for real-time AI inference. By co-designing its topology, wavelength routing, accumulation, and programming in a 3D stack, SKYLIGHT overcomes key limitations. Its innovations include a low-loss 3D Si/SiN crossbar topology, a thermally robust non-micro-ring resonator (MRR)-based wavelength-division multiplexing (WDM) component, a hierarchical signal accumulation using a multi-port photodetector (PD), and optically programmed non-volatile phase-change material (PCM) weights. Importantly, SKYLIGHT enables in-situ weight updates that support label-free, layer-local learning (e.g., forward-forward local updates) in addition to inference. Using SimPhony for system-level modeling, we show that a single 144 x 256 SKYLIGHT core is feasible within a single reticle and delivers 342.1 TOPS at 23.7 TOPS/W, enabling ResNet-50 inference at 1212 FPS with 27 mJ per image, and achieves 84.17 FPS/W end-to-end (1.61 x higher than an NVIDIA RTX PRO 6000 Blackwell GPU) under the same workload in real-time measurements. System-level evaluations on four representative machine learning tasks, including unsupervised local self-learning, demonstrate SKYLIGHT's robustness to realistic hardware non-idealities (low-bit quantization and signal-proportional analog noise capturing modulation, PCM programming, and readout variations). With noise-aware training, SKYLIGHT maintains high task accuracy, validating its potential as a comprehensive solution for energy-efficient, large-scale photonic AI accelerators.


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人工智能杂志AI(Artificial Intelligence)是目前公认的发表该领域最新研究成果的主要国际论坛。该期刊欢迎有关AI广泛方面的论文,这些论文构成了整个领域的进步,也欢迎介绍人工智能应用的论文,但重点应该放在新的和新颖的人工智能方法如何提高应用领域的性能,而不是介绍传统人工智能方法的另一个应用。关于应用的论文应该描述一个原则性的解决方案,强调其新颖性,并对正在开发的人工智能技术进行深入的评估。 官网地址:http://dblp.uni-trier.de/db/journals/ai/
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