به تازگی به یک نقطه عطف پیشگامانه در زمینه محاسبات نوری دست یافته شده است. محققان موسسه اپتیک و مکانیک دقیق شانگهای (SIOM)، آکادمی علوم چین، با موفقیت اولین تراشه یکپارچه محاسبات نوری فوق موازی جهان را توسعه داده‌اند. «شهاب یک» برای اولین بار، دانشمندان به موازی‌سازی بیش از ۱۰۰ برابری در محاسبات فوتونی روی تراشه دست یافته‌اند و یک معیار جهانی جدید در عملکرد محاسباتی تعیین کرده‌اند.

این تراشه‌ی پیشرفته، اوج عملکرد نظریِ ... را نشان می‌دهد. ۲۵۶۰ تاپس با فرکانس ساعت نوری ۵۰ گیگاهرتز - قابل مقایسه با برخی از پیشرفته‌ترین تراشه‌های GPU از NVIDIA. مهم‌تر از آن، این یک مسیر فنی جدید برای مقیاس‌بندی قدرت محاسباتی با بهره‌گیری از مزایای ذاتی فوتونیک فراهم می‌کند: پهنای باند فوق‌العاده بالا، موازی‌سازی گسترده و تأخیر کم.

دکتر پنگ شی، که رهبری این پروژه را بر عهده داشت، توضیح داد دیپ‌تک:

«ما به تعامل و محاسبه اطلاعات مالتی پلکس شده با بیش از ۱۰۰ طول موج، مستقیماً روی یک تراشه فوتونی دست یافتیم. این امر امکان پردازش موازی روی تراشه با چگالی بالا را نشان می‌دهد و مسیر جدیدی را برای مقیاس‌بندی قدرت محاسبات نوری می‌گشاید.»

فراتر رفتن از مرزهای تراشه‌های الکترونیکی

برای دهه‌ها، قانون مور پیشرفت‌ها در محاسبات را تسریع کرده است، اما الکترونیک مبتنی بر سیلیکون به محدودیت‌های فیزیکی خود نزدیک می‌شود. مسائلی مانند اتلاف گرما، اثرات کوانتومی و افزایش شدید مصرف برق، به ویژه در پشتیبانی از رشد نمایی حجم کار هوش مصنوعی، به گلوگاه‌های اصلی تبدیل می‌شوند.

فوتونیک یک جایگزین قانع‌کننده ارائه می‌دهد. برخلاف الکترون‌ها، فوتون‌ها به عنوان بوزون‌ها می‌توانند با سرعت نور حرکت کنند، حجم عظیمی از اطلاعات را به طور همزمان حمل کنند و با تأخیر و توان بسیار کمتری کار کنند. تراشه Meteor One با گسترش موازی‌سازی از طریق مالتی‌پلکسینگ تقسیم طول موج، به ... دست می‌یابد. افزایش دو مرتبه بزرگی در توان محاسباتیکه نشان‌دهنده‌ی یک تغییر اساسی در چگونگی تحقق محاسبات با کارایی بالا در آینده است.

معماری جدید برای محاسبات نوری فوق موازی

تیم تحقیقاتی با طراحی یک معماری محاسبات فوتونی چند طول موجی نوآورانه، بر «گلوگاه موازی‌سازی» دیرینه غلبه کرد. آن‌ها چندین زیرسیستم حیاتی - از جمله یک منبع نوری میکروشانه‌ای سولیتونی توسعه‌یافته (طیف >80 نانومتر، >200 کانال)، تراشه‌های محاسباتی نوری پهن‌باند قابل پیکربندی مجدد و آرایه‌های درایور ماتریس نوری با دقت بالا با بیش از 256 کانال مقیاس‌پذیر - را ادغام کردند.

این ادغام در سطح سیستم، اولین نمایش نمونه اولیه در جهان را امکان‌پذیر کرد. > برهمکنش و محاسبات فوتونیک مالتی پلکس شده با تقسیم طول موج ۱۰۰ کانالهدر مقایسه با محاسبات نوری تک طول موج مرسوم، این رویکرد در فرکانس تراشه و اندازه ماتریس یکسان، به دو برابر توان عملیاتی بالاتر دست می‌یابد.

دکتر زیلین هان این مفهوم را با یک تشبیه توضیح داد:

«مثل این است که یک بزرگراه تک بانده را به یک بزرگراه فوق‌العاده تبدیل کنیم که می‌تواند صد وسیله نقلیه را در کنار هم حمل کند و جریان ترافیک را بدون تغییر طول جاده به میزان قابل توجهی افزایش دهد.»

کاربردهای متحول‌کننده در هوش مصنوعی، مراکز داده و فراتر از آن

پیامدهای این پیشرفت بسیار گسترده است. محاسبات فوتونی فوق موازی می‌تواند به طور چشمگیری حجم کاری را که به شدت به ضرب‌های ماتریسی در مقیاس بزرگ متکی هستند - مانند شبکه‌های عصبی عمیق، هوش تجسمی، شبیه‌سازی‌های فیزیکی و پردازش تصویر در زمان واقعی - تسریع کند.

تأخیر بسیار کم آن، آن را برای کاربردهای حساس به زمان با حجم داده‌های کمتر، از جمله سوئیچینگ ارتباطی، هوش مصنوعی لبه‌ای و هماهنگی پهپادهای خودکار، ایده‌آل می‌کند. با توجه به تقاضا برای محاسبات با مصرف انرژی کارآمد و توان عملیاتی بالا با توجه به اینکه تراشه‌های فوتونی مانند Meteor One همچنان در حال افزایش هستند، می‌توانند برای مراکز داده نسل بعدی و زیرساخت‌های هوش مصنوعی ضروری باشند.

غلبه بر «سه دیوار» محاسبات نوری

برای دستیابی به پتانسیل کامل محاسبات فوتونی، محققان باید از سه مانع اساسی عبور کنند:

1. دیوار مقیاس ماتریسی - گسترش ابعاد ماتریس تراشه‌های فوتونی برای افزایش چگالی محاسباتی.
2. دیوار فرکانس نوری - افزایش فرکانس کلاک در عین حفظ عملکرد دستگاه.
3. دیوار موازی - بهره‌برداری از مالتی‌پلکسینگ چندبعدی برای به حداکثر رساندن توان عملیاتی.

در حالی که بازیگران جهانی مانند TSMC و Caltech به ترتیب در اندازه ماتریس تراشه (512×512) و فرکانس نوری (>100 گیگاهرتز) به پیشرفت‌هایی دست یافته‌اند، نوآوری تیم SIOM در ... نهفته است. حل گلوگاه موازی‌سازی.این نشان دهنده عملی ترین مسیر برای مقیاس بندی عملکرد در کوتاه مدت است که به طور بالقوه امکان جهش قدرت محاسبات نوری را فراهم می کند. ۲-۳ مرتبه بزرگی.

تیمی جوان و با انگیزه، پیشرو در مرزها

این دستاورد به SIOM نسبت داده می‌شود. گروه فوتونیک و محاسبات نوریبه رهبری دکتر پنگ شی، که پیش از بازگشت به چین، در دانشگاه‌های MIT، آکسفورد و دانشگاه فنی نانیانگ تحقیق می‌کرد. این تیم با میانگین سنی ۲۸ سال، تخصص در اپتیک، الکترونیک، ریاضیات و هوش مصنوعی را برای پیشبرد نوآوری سریع گرد هم آورده است.

نکته قابل توجه این است که هر جزء اصلی سیستم - از جمله منابع نور، تراشه‌های تعاملی، تراشه‌های محاسباتی، بردهای درایور و الگوریتم‌ها - به صورت داخلی توسعه داده شده است. این استقلال سرتاسری نه تنها کنترل‌پذیری فنی کامل را تضمین می‌کند، بلکه ... قدرت سازمانی مدل تحقیقاتی هماهنگ CAS.

نگاهی به آینده: به سوی عصر جدیدی از ابررایانه‌های فوتونی

نمونه اولیه Meteor One گامی اساسی در جهت ساخت یک اکوسیستم کامل محاسبات فوتونی است. این تیم اکنون با مقیاس‌بندی مداوم اندازه ماتریس، فرکانس و موازی‌سازی، بر تبدیل مزایای فوتونی به دستاوردهای محاسباتی در دنیای واقعی متمرکز است.

در درازمدت، محققان قصد دارند محاسبات نوری را با معماری‌های شبکه عصبی ادغام کنند و راه را برای ... هموار کنند. ابررایانه‌های فوتونی قادر به مدیریت هوش مصنوعی، کلان‌داده و شبیه‌سازی‌های علمی پیچیده با کارایی بی‌سابقه. با پتانسیل نظری فراتر از ۵۰۰۰ پاپ (معادل قدرت ترکیبی ۱۰۰۰ پردازنده گرافیکی رده بالا)، محاسبات فوتونی ممکن است به زودی به عنوان جایگزینی متحول‌کننده برای تراشه‌های الکترونیکی در دوران پس از قانون مور ظهور کند.

همزمان با افزایش شدید تقاضای جهانی برای محاسبات، رونمایی از Meteor One نه تنها نشان‌دهنده یک پیشرفت تکنولوژیکی، بلکه طلوع یک الگوی جدید است—آینده‌ای که در آن نور، نه الکترون‌ها، موتور هوش می‌شود.