В 30 раз экономнее, в 50 раз быстрее — вычислительная электроника переходит… на свет
816

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).

В 30 раз экономнее, в 50 раз быстрее — вычислительная электроника переходит… на свет
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.
Наши новостные каналы

Подписывайтесь и будьте в курсе свежих новостей и важнейших событиях дня.

Рекомендуем для вас