В 30 раз экономнее, в 50 раз быстрее — вычислительная электроника переходит… на свет

В мире высокопроизводительных вычислений и искусственного интеллекта назревает тихая революция. Компания Q.ANT, специализирующаяся на аналоговых фотонных чипах, объявила о создании процессора, который может перевернуть представление об энергоэффективности и скорости. Их новый чип, основанный на фотонных технологиях, обещает в 30 раз снизить энергопотребление и в 50 раз ускорить вычисления по сравнению с традиционными кремниевыми аналогами.

Новое электричество

Пилотное производство уже запущено на заводе IMS Chips в Штутгарте, где Q.ANT вложила 14 млн евро в переоборудование старой полупроводниковой линии. Это решение позволяет быстрее выйти на рынок, а также интегрировать чип в существующие серверы для HPC (высокопроизводительных вычислений — мощных систем, используемых для сложных задач в науке и бизнесе).



Возникает вопрос: чем же фотонные чипы отличаются от привычных? Традиционные процессоры управляют электрическими сигналами через транзисторы — микроскопические переключатели. Но электроны, переносящие заряд, сталкиваются с сопротивлением, выделяют тепло и ограничены в скорости.

Фотонные чипы вместо этого используют частицы света — фотоны. Они не имеют массы, движутся быстрее и почти не нагревают систему.
Последнее крайне критично и важно для задач ИИ, где требуется обрабатывать гигантские объемы данных без перегрева оборудования. Поэтому среди инженеров сейчас очень популярна шутка о том, что свет — это новое электричество.

«Светлое» будущее

К слову сказать, Q.ANT — не единственные, кто верит в световое будущее вычислений. Например, американский стартап Lightmatter разрабатывает фотонные процессоры для ИИ, акцентируя внимание на снижении энергозатрат дата-центров. Их чипы уже тестируются в корпоративных сетях.

Intel и IBM также экспериментируют с интеграцией фотоники в классические архитектуры. Компании уже создали вполне рабочие гибридные решения.

Однако подход Q.ANT уникален: их чип построен на основе тонкослойного ниобата лития (TFLN). Данный материал позволяет с весьма высокой точностью управлять световыми волнами.



Что касается TFLN, то оно является кристаллическим соединением, нанесенным на подложку чипа особым образом. Под воздействием электрического поля ниобат лития меняет скорость и фазу света. И это свойство делает данный материал просто идеальным для модуляции оптических сигналов.

Ученые называют TFLN «материалом-хамелеоном» за его гибкость в настройке. Именно это свойство привлекло внимание не только фотонщиков, но и квантовых физиков, которые видят в нем потенциал для создания квантовых компьютеров.

Пока Q.ANT планирует выпускать 1000 пластин в год, их конкуренты делают ставку на другие материалы. Например, компания Ayar Labs использует кремниевую фотонику, чтобы снизить стоимость производства. Но у кремния есть ограничения: он хуже справляется с высокочастотными сигналами. TFLN же сохраняет стабильность даже при экстремальных нагрузках, что делает его фаворитом для задач ИИ.

«Световые» гонки

Михаэль Фёрч, генеральный директор Q.ANT, уверен: к 2030 году фотонные процессоры станут стандартом для HPC.


— Фёрч.

С ним полностью согласен профессор Йенс Андерс из IMS Chips. По его прогнозам, очень скоро рост данных по экспоненте парализует дата-центр. Поэтому фотоника в данном случае — единственный выход. Так что пилотная линия фотонных чипов в Штутгарте как глоток чистого воздуха.



Однако путь к массовому внедрению не будет гладким. Во-первых, производство TFLN-чипов сложнее, чем кремниевых: требуется сверхточная обработка кристаллов.

Во-вторых, фотонные системы пока плохо совместимы с традиционной электроникой — нужны переходные решения.

И наконец, рынок с осторожностью принимает новинки. Аналитики говорят, что люди верят в кремний, так как он проверен десятилетиями. И переубедить их будет очень и очень сложно.

Но самые дальновидные игроки на рынке понимают, что за фотонной технологией будущее. Пока Q.ANT продвигает TFLN-чипы, другие игроки исследуют альтернативные пути. К примеру, канадская компания Xanadu делает ставку на квантовую фотонику. Их процессоры используют сжатый свет для выполнения квантовых вычислений, что, по заявлениям, ускоряет алгоритмы машинного обучения в тысячи раз. Правда, пока это лабораторные эксперименты, но уже в 2025 году Xanadu планирует коммерческий релиз.

Китайский стартап Lightelligence создал фотонный чип, который специализируется на оптических нейронных сетях. Его архитектура имитирует работу человеческого мозга, но вместо нейронов — лазеры и волноводы. На тестах чип показал в 100 раз меньшее энергопотребление при распознавании изображений по сравнению с NVIDIA A100. Однако масштабировать технологию сложно: каждый чип требует ручной настройки, что увеличивает стоимость.

Не отстают и академические проекты. Исследователи MIT разработали фотонный «трансформер» — чип, который динамически меняет свою структуру под конкретную задачу. Например, для тренировки ИИ он работает как матричный ускоритель, а для шифрования данных — как оптический шифратор. Это достигается за счет микроскопических зеркал, перенаправляющих световые потоки. Проблема в том, что такие системы пока размером с холодильник, но команда обещает миниатюризацию к 2027 году.

Что объединяет все эти проекты? Стремление преодолеть «кремниевый потолок». Да, пока фотонные чипы напоминают первые автомобили: одни видят в них будущее, другие — дорогую игрушку. Но чем больше игроков вступает в гонку, тем выше шанс, что однажды кто-то нажмет на «световой газ» и оставит кремний в прошлом. Или нет.