Видеть свет

Встречайте свет

Закон Мура, который утверждал, что количество транзисторов на микросхеме будет удваиваться каждые два года, достигает своего предела, поскольку становится все сложнее запаковывать больше транзисторов в микросхемы, даже на наноуровне. В результате, инженеры пытаются найти новые способы и методы значительно повысить вычислительную мощность.

Одним из возникающих технологий для увеличения вычислительной мощности является оптическое вычисление (также известное как фотонное вычисление), которое использует фотоны – свет – вместо электронов для передачи данных и выполнения задач и вычислений.

“Фотонное вычисление использует физику света для выполнения определенных видов вычислительных задач более эффективно, чем это возможно с электронными сигналами”, – сказал Райан Хэмерли, старший научный сотрудник NTT Research в Саннивейле, Калифорния, а также приглашенный ученый в лаборатории исследований электротехники и компьютерных наук при Массачусетском технологическом институте (МИТ) в Кембридже, Массачусетс.

Хэмерли пояснил, что фотонная микросхема – это просто микросхема, изготовленная с использованием стандартных процессов полупроводникового производства, но с немного другим набором технологических рецептов, которые приводят к фотонным структурам вместо электронных структур. “С электронными структурами вам больше интересно контролировать токи, и вы обращаетесь сопротивлениями и емкостями, но при фотонных структурах вам больше интересно контролировать поток света”, – отметил Хэмерли.

• ML техника лучше предсказывает уровень успешности лечения рака
• 6G может выполнять двойную функцию для мониторинга изменения климата
• Иск утверждает, что Meta специально разработала Instagram и Facebook для привлечения подростков

В традиционных вычислениях электроны очень медленно протекают через провод, и данные передаются с очень низкими частотами (наибольшей скоростью в гигагерцах или десятках гигагерц), тогда как оптические фотоны движутся на частотах нескольких сотен терагерц, по словам Хэмерли. Обычно, по его словам, использование лазеров в качестве источника света и оптических волокон для выполнения фотонных вычислений гораздо быстрее, чем традиционные вычисления.

Хэмер указал на то, что фотонные чипы изготавливаются с использованием некоторой модификации нанесения металла-оксида-полупроводникового (CMOS) процесса, также как и традиционные полупроводниковые чипы. “Даже если это не CMOS, вы используете те же типы инструментов, такие как массовое осаждение и литография”, – сказал он.

Хэмерли говорит, что он верит, что в ближайшие несколько лет мы увидим некоторые фотонные ядра, которые эффективны в выполнении определенных задач, начнут развиваться как компоненты более крупных систем, добавляя, что он ожидает, что фотонное вычисление в основном останется в области дата-центров, а не перейдет на устройства на краю сети. Он считает, что принятие фотонных вычислений будет постепенным процессом и не очевидно для конечных пользователей. “Инженеры, разрабатывающие аппаратное и программное обеспечение, понимают эти прогрессы, но пользователи будут замечать только ускорение вещей”, – сказал Хэмерли.

Морис Штайнман, вице-президент инженерии в компании Lightelligence, занимающейся фотонным вычислением, расположенной в Бостоне, Массачусетс, указал на то, что поскольку “фотонные вычисления являются формой аналоговых вычислений, в них присутствует шум и неизбежная неточность”.

На данный момент, согласно Штайнману, искусственный интеллект (ИИ) является главным фокусом фотонных вычислений. “Факт, что рабочие нагрузки ИИ являются статистическими по своей природе, означает, что если есть преимущества в скорости и энергопотреблении, любые неточности хорошо переносимы, поэтому это хорошо сочетается с фотонным вычислением”, – сказал он.

Николас Харрис, сооснователь и генеральный директор компании Lightmatter, занимающейся фотонным вычислением, также расположенной в Бостоне, отметил, что в то время как в традиционных вычислениях для вычисления, коммуникации и памяти используются транзисторы, “фотонное вычисление дополняет наш инструментарий, предлагая новые способы выполнения сложения, умножения и движения данных. Преимущества этого нового набора инструментов – это продолжающийся вычислительный прогресс, увеличенная энергоэффективность и производительность как одной микроэлектронной схемы, так и системы в целом”, – сказал он.

Кроме того, Харрис сказал, что фотоника обеспечивает вычисления с крайне низкой задержкой, с очень высоким числом операций в секунду. “Это сложное сочетание, которое осуществимо только с применением фотоники – благодаря отсутствию паразитных параметров, таких как сопротивление, индуктивность и емкость, которые определяют характерное время электронных систем”, – сказал он.

Харрис говорит, что оптическое вычисление может быть разделено на две категории – вычисление и интерконнект (перемещение данных).

“Существует множество архитектур ускорителей фотонного вычисления, и они имеют общие свойства, включая задержку равную скорости света при завершении операций сложения и умножения для тензоров, возможность поддержки крайне высоких тактовых частот и возможность использования одновременно нескольких длин волн света для параллелизации вычислений”, – сказал Харрис.

На стороне интерконнекта, продолжает он, фотоника обеспечивает экстремально низкую задержку при передаче данных, эффективную связь между системами, дезагрегацию и чрезвычайно большие размеры кристалла.

Один из ключевых преимуществ оптического вычисления – его невероятно высокая скорость, так как фотоны перемещаются со скоростью света, намного быстрее, чем электроны через медные провода. Например, по словам Штейнмана из компании Лайтеллидженс, в конце 2021 года компания выпустила свой фотонный вычислительный движок Photonic Arithmetic Computing Engine (PACE), который использует архитектуру перемножения вектор-матрицы, которую также используют многие другие фотонные вычислительные устройства.

“Мы предназначили PACE для решения проблемы Изинга”, – сказал Штейнман, отметив, что модели Изинга часто используются для сложных математических задач, охарактеризованных как вычислительно сложные комбинаторные оптимизации с множеством разных переменных, таких как задачи коммивояжера (TSP). “Мы построили алгоритм специально для этой проблемы, он не является программируемым двигателем; это алгоритм, закодированный жестко для решения задачи Изинга”.

Штейнман сказал, что при сравнении PACE с графическим процессором NVIDiA было обнаружено, что он работает в 800 раз быстрее. “Ключ в правильном выборе алгоритма, здесь мы видим действительно значительные ускорения”, – сказал Штейнман. “В этом состоит самая существенная часть”.

Штейнман также сказал, что для любой электро-оптической системы важна продвинутая упаковка. “Это не просто стандартная микросхема CMOS или кристалл на листе в корпусе”, – сказал Штейнман. “Здесь вам нужно объединить электрический чип, оптический чип, источник света, ввод-вывод и питание – это все возможное, поэтому продвинутая упаковка – это то, на чем мы много времени сосредотачиваемся. Это является одним из ключевых технических преград фотонного вычисления”.

В последующих версиях PACE компания Lightelligence добавляет более высокую программабельность, чтобы при выходе для разработчиков они могли определить приложения, на которых PACE будет работать наилучшим образом, сказал Штейнман.

Переходя еще дальше от классического вычисления, фотоника также может использоваться для квантового вычисления. Кристиан Видбрук, основатель и генеральный директор Xanadu, квантовой компьютерной компании в Торонто, Канада, назвал квантовые компьютеры “следующим поколением суперкомпьютеров”.

Видбрук объяснил, что вместо работы в двоичной системе, как классический компьютер, который вычисляет цифрово с помощью транзисторов, используя 0 и 1, квантовые компьютеры вычисляют с использованием квантовых битов (кубитов), которые могут быть и 0, и 1 одновременно. В целом, сказал он, мощность вычислений экспоненциально возрастает с увеличением количества доступных кубитов.

Видбрук сказал, что хотя есть несколько способов создать квантовый компьютер, Xanadu использует фотонный подход, используя оптические компоненты и волоконную оптику для соединения фотонных чипов. “Преимущества фотонного подхода включают масштабируемость и модульность, легкость производства и способность работать при комнатной температуре”, – сказал Видбрук. В отличие от этого, большинство суперкомпьютеров и квантовых компьютеров требуют низких температур для максимальной эффективности работы.

Харрис из Lightmatter считает, что мир быстро освоит оптическое переделанное вычисление. Он считает, что фотоника будто бы тихо питает рост искусственного интеллекта и компьютеров вообще и, если все пройдет хорошо, никто даже не заметит ее наличия.

Джон Делейни – фрилансер и технологический писатель из Нью-Йорка, США.