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.
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).

Пластинка Q.ANT на основе тонкопленочного ниобата лития позволяет создавать фотонные интегральные схемы с высокоточной, высокоскоростной оптической модуляцией, низким уровнем шума и уменьшенным тепловыделением
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.
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.

Фотонные интегральные схемы на основе TFLN
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.
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.

Первый коммерческий фотонный процессор для энергоэффективных высокопроизводительных вычислений и приложений искусственного интеллекта в реальном времени
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.
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).

Пластинка Q.ANT на основе тонкопленочного ниобата лития позволяет создавать фотонные интегральные схемы с высокоточной, высокоскоростной оптической модуляцией, низким уровнем шума и уменьшенным тепловыделением
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.

Фотонные интегральные схемы на основе TFLN
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.
ИИ и Big Data доводят классические чипы до предела. Нам нужен радикально новый подход
— 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.

Первый коммерческий фотонный процессор для энергоэффективных высокопроизводительных вычислений и приложений искусственного интеллекта в реальном времени
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.
- Дмитрий Алексеев
- qant.com, futurecdn.net, livescience.com
Наши новостные каналы
Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.
Рекомендуем для вас
Битва под Каневом: почему на 350 лет замолчали сокрушительную победу России?
Неудобная победа, предательство и идеология. Мы бы могли вообще не узнать об этом триумфе русского оружия...
Бомбы с орбиты: почему советская технология, воскрешенная Китаем, встревожила США?
Американцы слишком долго считали свои системы раннего предупреждения лучшими на планете. Теперь......
С Ноева ковчега сняли запрет: что покажут радары на Арарате?
История, которую больше всего высмеивали ученые, неожиданно становится все более реальной...
Дикий народ чучуна: Кто наводил ужас на коренное население Сибири?
Йети? Люди-изгои? Древнее племя? Пока что вопросов больше, чем ответов...
Почему их ДНК не меняется уже 42 000 лет: определен самый древний народ на планете
Три раза предки жителей Океании встречались с исчезнувшими видами людей, и это в корне изменило их гены...
Тайна «косого глаза» Венеры раскрыта: что увидела нейросеть на картинах Боттичелли?
Художник нарисовал пять портретов прекрасной Симонетты Веспуччи. И каждое полотно еще больше подтверждает страшный диагноз...
Мрачный прогноз для США из 1995 года сбылся: в чем великий ученый Саган оказался прав?
Исследователь говорил: все плохо, но еще не все потеряно. Его советы могут реально помочь всему человечеству...
Новая вселенная внутри звезды: почему Эйнштейн мог ошибаться насчет черных дыр
Больше 20 лет эта гипотеза в буквальном смысле раздирает мир науки. Но, возможно, именно она выведет ученых из тупика сингулярности...
Прорыв в астрономии: найти жизнь в космосе будет гораздо проще
Ученых не пугает даже погрешность в 20%. Зато будут просканированы тысячи планет...
Марс под вопросом: что может обнулить иммунитет у космонавтов?
И почему защита организма перестает видеть микробы, выжившие в космосе?...
43 — проклятый возраст Рюриковичей: почему многие князья не переживали этот роковой рубеж?
Генетики говорят: русская династия слишком поздно поняла, что попала в ловушку «чистой» крови...
Снегопады в Антарктиде становятся все аномальнее: и ученые, наконец-то, знают почему?
Ученым придется пересмотреть все климатические модели Шестого континента. Кстати, снега там будет выпадать с каждым годом все больше...
Доказана жизнь на спутнике Юпитера: как же бактериям удалось добраться с Земли на Европу?
За 3,5 миллиарда лет земные бактерии могли долететь до 105 звездных систем. Так что у Европы есть все шансы на «заражение»...
Сначала Стоунхендж был... не каменным: найден прототип легендарного святилища
Доисторическая религия оказалась старше на 500 лет, чем считали ученые. И она играла огромную роль в жизни древних людей...
Бельгийскую разведку снова взломали: хакеры целый год качали оттуда секретные данные
Эксперты говорят: проникновение было замечено совершенно случайно. И это пугает...