Fotonika: Czy na naszych oczach tworzy si? kolejny rozdzia? historii IT?

Wizjonerzy twierdz?, ?e przej?cie z elektroniki na fotonik? ma by? kolejnym cyfrowym kamieniem milowym, a zarazem now? norm? przysz?o?ci. Od sieci po?6G?i komunikacj? chip-to-chip, fotonika oferuje mocniejsze i bardziej energooszcz?dne rozwi?zania oraz niezwykle szybki transfer danych.

Intel, Sony, NTT oraz liczne inne firmy i startupy opracowuj? nowe technologie fotoniczne, które redefiniuj? sposób, w jaki korzystamy z chipów i sieci.

Wspó?czesna bran?a technologiczna wci?? ma przed sob? trudno?ci do pokonania. Jedn? nich jest fakt, ?e elektrony maj? maksymaln? pr?dko??, z jak? mog? przesy?a? dane w obie strony. Fotonika jednak wykorzystuje ?wiat?o, a jak wiadomo, jego pr?dko?ci dotychczas nic jeszcze nie pobi?o

W kolejnym wywiadzie Techopedia rozmawia z dr. Bardi? Pezeshki, dyrektorem generalnym i cz?onkiem zarz?du firmy Avicena, produkuj?cej pó?przewodniki o wysokiej przepustowo?ci (Sunnyvale, Kalifornia), oraz z przedstawicielem jednej z firm badaj?cych komunikacj? i ??czno?? mi?dzy uk?adami scalonymi za pomoc? ultraszybkich diod μLED lub micro LED.

Wyzwania obecnej technologii obliczeniowej: energia, moc i opó?nienie w transmisji danych

W miar? jak sztuczna inteligencja ?(AI) i?uczenie maszynowe (machine learning)?nabieraj? rozp?du, a firmy takiej jak?NVIDIA?wypuszczaj? coraz to mocniejsze podzespo?y, podczas gdy Intel czy Huawei?staraj? si? dotrzyma? kroku konkurencji, wci?? pozostaje do rozwi?zania pewien zasadniczy problem:

Otó? sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe przetwarzaj? wi?cej danych ni? kiedykolwiek wcze?niej, co mo?e powodowa? du?e opó?nienia i zwi?ksza? zu?ycie energii w centrach danych do rekordowego poziomu.

Badania przewiduj? znaczny wzrost zu?ycia energii spowodowany sztuczn? inteligencj?. Na przyk?ad Goldman Sachs twierdzi, ?e technologia ta zwi?kszy zapotrzebowanie na energi? w centrach danych o 160%.

Pezeshki z Avicena wyja?ni?, ?e ludzie od dziesi?cioleci pracowali nad tym, by po??czy? uk?ady scalone z fotonik?:

?Powód jest prosty: fotony znacznie lepiej ni? elektrony nadaj? si? do przekazywania informacji. Nie wchodz? mi?dzy sob? w interakcje, nie trzeba si? te? liczy? z ograniczeniami takimi jak opór czy pojemno??”.

Chip, który idzie w stron? ?wiat?a

Po tym, jak Intel w ci?gu ostatnich kilkudziesi?ciu lat inwestowa??miliardy dolarów w fotonik? krzemow??i technologie optyczne, potencja? fotoniki zaczyna teraz przyci?ga? uwag? wi?kszo?ci licz?cych si? firm z bran?y technologicznej, pocz?wszy od?Lockheed Martin i IAG Capital Partners po Hewlett Packard Enterprise i NVIDI?.

Warto jednak pami?ta?, ?e technologia ta wci?? si? rozwija, a w procesie tym napotyka na ró?norodne przeszkody. Jak wyja?nia Pezeshki:

?Problem przenoszenia danych na chipy i z nich to obecnie najwi?ksze wyzwanie w elektronice. Prawie wszystkie zaawansowane uk?ady scalone s? ograniczone pod wzgl?dem wej?cia/wyj?cia, a ograniczenie to jest najbardziej dotkliwe w konfiguracjach typu AI, w których procesory graficzne musz? pracowa? równolegle za po?rednictwem sieci prze??czników”.

Pezeshki wyja?ni?, ?e kluczowym problemem chipów fotonicznych jest to, ?e krzem nie jest najlepszym materia?em optycznym i nie jest kompatybilny ze standardowymi laserami fotonicznymi.

?Po??czenie chipów oddalonych od siebie o oko?o metr za pomoc? standardowej technologii ?wiat?owodowej jest naprawd? zbyt drogie i skomplikowane”.

Co zatem proponuje Avicena? Wykorzysta? LEDy i urz?dzenia wy?wietlaj?ce obraz, by chipy mog?y ?rozmawia? ze ?wiat?em”.

?Polega to z grubsza na tym, ?e umieszczamy ma?y wy?wietlacz micro LED oraz kamer? na chipach, które potem patrz? na siebie i wymieniaj? informacj? za po?rednictwem czego? na kszta?t obrazowania w?ókien”.

Wy?wietlacze micro LED firmy Avicena s? prostsze ni? standardowe, by mog?y ?atwiej ?dogada? si?” z chipami: maj? raptem 1000 pikseli jednego koloru, podczas gdy tradycyjny wy?wietlacz ma miliony RGB. Dzi?ki tej prostocie Avicena zyska?a wysok? wydajno?? – mnóstwo Gb/s w porównaniu do cz?stotliwo?ci od?wie?ania zwyk?ego wy?wietlacza.

?Technologie wy?wietlaczy i kamer, których u?ywamy, s? kompatybilne z prawie wszystkimi (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) CMOS (podstawa wi?kszo?ci nowoczesnych urz?dzeń elektronicznych)”.

D?ugodystansowa fotonika i krótkodystansowa komunikacja

Jeden z globalnych liderów technologicznych, NTT, ju? udowodni?, ?e praktycznie wszystko jest mo?liwe: sieci fotoniczne i szybki transfer ogromnej ilo?ci danych przy ma?ym opó?nieniu.

Dzia? badawczo-rozwojowy NTT wychodzi z za?o?enia, ?e fotonika to naturalny etap ewolucji. Zdaniem specjalistów ta technologia b?dzie mia?a nieskończone wr?cz zastosowanie w zaawansowanych, a nawet zdalnych procedurach medycznych przeprowadzanych z u?yciem robotów, w skomplikowanych operacjach, a tak?e w rozwi?zaniach typu digital twin, w inteligentnych samochodach i miastach, a tak?e w segmencie przesy?u danych AI w sieciach.

Wykorzystanie fotoniki do transferu danych w architekturze d?ugodystansowej to jedno, ale pozostaje jeszcze kwestia krótkodystansowej komunikacji uk?adów scalonych w ramach jednego urz?dzenia. Pezeshki nie tylko uwa?a, ?e jest to mo?liwe, ale te? twierdzi, ?e jego firma aktywnie pracuje nad osi?gni?ciem tego etapu zaawansowania.

?Chcemy spe?ni? wieloletnie marzenie o fotonicznych po??czeniach mi?dzy chipami”.

Czym technologia opracowana przez ekspertów Aviceny ró?ni si? od innych, którym ta sztuka si? nie uda?a? W porównaniu z tradycyjnymi metodami podej?cie oparte na LED jest o wiele bardziej energooszcz?dne od tego, które zak?ada wykorzystanie miedzi lub laserów. Dzia?a ono bowiem w sposób równoleg?y: wyobra?my sobie niezwykle szerokie magistrale danych, które ??cz? si? bezpo?rednio z tym, jak informacje podró?uj? w uk?adach scalonych.

?Nie ma potrzeby serializacji danych do wysokich szybko?ci na pasmo, co wymaga?oby jeszcze wi?kszej mocy i opó?nia?o transfer danych”, mówi Pezeshki.

Gdy sektor sztucznej inteligencji boryka si? z wyzwaniami w obszarze danych z powodu rosn?cych apetytów, Pezeshki mówi, ?e optyczny interfejs na w uk?adzie pami?ci i na karcie graficznej umo?liwia ka?demu procesorowi dost?p do wi?kszej pami?ci. Wiele procesorów mo?e za? uzyska? wspó?dzielony dost?p do ogromnej puli pami?ci.

Przypadki u?ycia i zastosowanie czyli fotonika na co dzień

Fotoniczna komunikacja mi?dzy uk?adami scalonymi mo?e okaza? si? gamechangerem w architekturze obliczeniowej.

Wykorzystuj?c pr?dko?? i wydajno?? ?wiat?a nowa technologia przezwyci??a podstawowe ograniczenia tradycyjnej elektroniki. Miedziane kable odchodz? do przesz?o?ci: chipy fotoniczne wykorzystuj? ?wiat?o do transmisji danych mi?dzy procesorami, jednostkami pami?ci i innymi komponentami.

Pezeshki t?umaczy, dlaczego po??czenia s? tak samo istotne jak same procesory.

?Gdy spojrzymy nieco szerzej, to moc obliczeniowa nie bierze si? tylko z szybkich procesorów i pami?ci, ale te? z zag?szczenia po??czeń mi?dzy procesorami”.

?Przechodz?c na fotonik?, szczególnie na równoleg?? wielopasmow? konfiguracj?, w której informacje p?yn? z chipów pionowo, rozwi?zuje si? ten problem u ?ród?a”.

Transformacja sprz?tu, by dopasowa? go do wymogów fotoniki, to karko?omne zadanie. Pezeshki wyja?ni?, ?e jego firma dok?ada starań, by przej?cie by?o bezproblemowe.

?Dla firm takich jak Nvidia czy Intel produkcja nowego procesora z wbudowanym optycznym interfejsem to powa?ne przedsi?wzi?cie. Dlatego wa?ne, by transformacj? zaplanowa? krok po kroku”.

“Tworzymy spe?niaj?ce standardy kable optyczne, które mog? zast?pi? tradycyjne przewody elektryczne, a tak?e uk?ady optyczne na p?ycie, które nie b?d? wymaga?y przeróbek karty graficznej”.

Gdy optyczne rozwi?zania sprawdz? si? w ró?nych dziedzinach zastosowania, designerzy chipów b?d? mogli umie?ci? optyczne rozwi?zania bli?ej obwodów scalonych.?W dalszym horyzoncie czasowym zak?ada si? w??czenie tej technologii do procesorów i uk?adów pami?ci, co z kolei pozwoli ca?kowicie wyeliminowa? opakowanie w postaci interfejsu, a docelowo równie? obwody scalone.

Podsumowanie

Przej?cie od elektroniki do fotoniki ma zrewolucjonizowa? architektur? obliczeniow? w drodze nieoczekiwanej, jak by si? wydawa?o, zmiany. Innowacje, które pojawiaj? si? w postaci oprogramowania i kodu, znacznie ró?ni? si? od tych, które pojawiaj? si? na poziomie sprz?towym.

Przej?cie od elektroniki i przewodów miedzianych do bezpo?rednich kabli optycznych chip-to-chip stanowi wyzwanie. Aby fotonika mog?a na sta?e zago?ci? w bran?y, niezb?dna jest daleko posuni?ta standaryzacja, rozwi?zania w ramach ?ańcucha dostaw i logistyki, i szeroko rozumiana akceptacja i przyj?cie nowej technologii.

Jednak firmy takie jak Avicena, tworz?ce zgodne z przepisami, a zarazem innowacyjne rozwi?zania, nie s? osamotnione. Od Intela po NTT i innych gigantów w bran?y technologicznej, wszyscy maj? fotonik? na li?cie priorytetów. Powód jest prosty.

Aby wyruszy? w dalsz? podró? w przysz?o?? technologii, ?wiat potrzebuje szybszego i bardziej wydajnego przetwarzania i przesy?ania danych, ale tak?e g?stszych po??czeń umo?liwiaj?cych jednoczesn? komunikacj?. Fotonika i ?wiat?o zapewniaj? to wszystko i jeszcze wi?cej.