Fotonika: Czy na naszych oczach tworzy się kolejny rozdział historii IT?

Wizjonerzy twierdzą, że przejście z elektroniki na fotonikę ma być kolejnym cyfrowym kamieniem milowym, a zarazem nową normą przyszłości. Od sieci po 6G i komunikację chip-to-chip, fotonika oferuje mocniejsze i bardziej energooszczędne rozwiązania oraz niezwykle szybki transfer danych.

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

Współczesna branża technologiczna wciąż ma przed sobą trudności do pokonania. Jedną nich jest fakt, że elektrony mają maksymalną prędkość, z jaką mogą przesyłać dane w obie strony. Fotonika jednak wykorzystuje światło, a jak wiadomo, jego prędkości dotychczas nic jeszcze nie pobiło

W kolejnym wywiadzie Techopedia rozmawia z dr. Bardią Pezeshki, dyrektorem generalnym i członkiem zarządu firmy Avicena, produkującej półprzewodniki o wysokiej przepustowości (Sunnyvale, Kalifornia), oraz z przedstawicielem jednej z firm badających komunikację i łączność między układami scalonymi za pomocą ultraszybkich diod µLED lub micro LED.

Wyzwania obecnej technologii obliczeniowej: energia, moc i opóźnienie w transmisji danych

W miarę jak sztuczna inteligencja  (AI) i uczenie maszynowe (machine learning) nabierają rozpędu, a firmy takiej jak NVIDIA wypuszczają coraz to mocniejsze podzespoły, podczas gdy Intel czy Huawei starają się dotrzymać kroku konkurencji, wciąż pozostaje do rozwiązania pewien zasadniczy problem:

Otóż sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe przetwarzają więcej danych niż kiedykolwiek wcześniej, co może powodować duże opóźnienia i zwiększać zużycie energii w centrach danych do rekordowego poziomu.

Badania przewidują znaczny wzrost zużycia energii spowodowany sztuczną inteligencją. Na przykład Goldman Sachs twierdzi, że technologia ta zwiększy zapotrzebowanie na energię w centrach danych o 160%.

Pezeshki z Avicena wyjaśnił, że ludzie od dziesięcioleci pracowali nad tym, by połączyć układy scalone z fotoniką:

„Powód jest prosty: fotony znacznie lepiej niż elektrony nadają się do przekazywania informacji. Nie wchodzą między sobą w interakcje, nie trzeba się też liczyć z ograniczeniami takimi jak opór czy pojemność”.

Chip, który idzie w stronę światła

Po tym, jak Intel w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat inwestował miliardy dolarów w fotonikę krzemową i technologie optyczne, potencjał fotoniki zaczyna teraz przyciągać uwagę większości liczących się firm z branży technologicznej, począwszy od Lockheed Martin i IAG Capital Partners po Hewlett Packard Enterprise i NVIDIĘ.

Warto jednak pamiętać, że technologia ta wciąż się rozwija, a w procesie tym napotyka na różnorodne przeszkody. Jak wyjaśnia Pezeshki:

„Problem przenoszenia danych na chipy i z nich to obecnie największe wyzwanie w elektronice. Prawie wszystkie zaawansowane układy scalone są ograniczone pod względem wejścia/wyjścia, a ograniczenie to jest najbardziej dotkliwe w konfiguracjach typu AI, w których procesory graficzne muszą pracować równolegle za pośrednictwem sieci przełączników”.

Pezeshki wyjaśnił, że kluczowym problemem chipów fotonicznych jest to, że krzem nie jest najlepszym materiałem optycznym i nie jest kompatybilny ze standardowymi laserami fotonicznymi.

„Połączenie chipów oddalonych od siebie o około metr za pomocą standardowej technologii światłowodowej jest naprawdę zbyt drogie i skomplikowane”.

Co zatem proponuje Avicena? Wykorzystać LEDy i urządzenia wyświetlające obraz, by chipy mogły „rozmawiać ze światłem”.

„Polega to z grubsza na tym, że umieszczamy mały wyświetlacz micro LED oraz kamerę na chipach, które potem patrzą na siebie i wymieniają informację za pośrednictwem czegoś na kształt obrazowania włókien”.

Wyświetlacze micro LED firmy Avicena są prostsze niż standardowe, by mogły łatwiej „dogadać się” z chipami: mają raptem 1000 pikseli jednego koloru, podczas gdy tradycyjny wyświetlacz ma miliony RGB. Dzięki tej prostocie Avicena zyskała wysoką wydajność – mnóstwo Gb/s w porównaniu do częstotliwości odświeżania zwykłego wyświetlacza.

„Technologie wyświetlaczy i kamer, których używamy, są kompatybilne z prawie wszystkimi (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) CMOS (podstawa większości nowoczesnych urządzeń elektronicznych)”.

Długodystansowa fotonika i krótkodystansowa komunikacja

Jeden z globalnych liderów technologicznych, NTT, już udowodnił, że praktycznie wszystko jest możliwe: sieci fotoniczne i szybki transfer ogromnej ilości danych przy małym opóźnieniu.

Dział badawczo-rozwojowy NTT wychodzi z założenia, że fotonika to naturalny etap ewolucji. Zdaniem specjalistów ta technologia będzie miała nieskończone wręcz zastosowanie w zaawansowanych, a nawet zdalnych procedurach medycznych przeprowadzanych z użyciem robotów, w skomplikowanych operacjach, a także w rozwiązaniach typu digital twin, w inteligentnych samochodach i miastach, a także w segmencie przesyłu danych AI w sieciach.

Wykorzystanie fotoniki do transferu danych w architekturze długodystansowej to jedno, ale pozostaje jeszcze kwestia krótkodystansowej komunikacji układów scalonych w ramach jednego urządzenia. Pezeshki nie tylko uważa, że jest to możliwe, ale też twierdzi, że jego firma aktywnie pracuje nad osiągnięciem tego etapu zaawansowania.

„Chcemy spełnić wieloletnie marzenie o fotonicznych połączeniach między chipami”.

Czym technologia opracowana przez ekspertów Aviceny różni się od innych, którym ta sztuka się nie udała? W porównaniu z tradycyjnymi metodami podejście oparte na LED jest o wiele bardziej energooszczędne od tego, które zakłada wykorzystanie miedzi lub laserów. Działa ono bowiem w sposób równoległy: wyobraźmy sobie niezwykle szerokie magistrale danych, które łączą się bezpośrednio z tym, jak informacje podróżują w układach scalonych.

„Nie ma potrzeby serializacji danych do wysokich szybkości na pasmo, co wymagałoby jeszcze większej mocy i opóźniało transfer danych”, mówi Pezeshki.

Gdy sektor sztucznej inteligencji boryka się z wyzwaniami w obszarze danych z powodu rosnących apetytów, Pezeshki mówi, że optyczny interfejs na w układzie pamięci i na karcie graficznej umożliwia każdemu procesorowi dostęp do większej pamięci. Wiele procesorów może zaś uzyskać współdzielony dostęp do ogromnej puli pamięci.

Przypadki użycia i zastosowanie czyli fotonika na co dzień

Fotoniczna komunikacja między układami scalonymi może okazać się gamechangerem w architekturze obliczeniowej.

Wykorzystując prędkość i wydajność światła nowa technologia przezwycięża podstawowe ograniczenia tradycyjnej elektroniki. Miedziane kable odchodzą do przeszłości: chipy fotoniczne wykorzystują światło do transmisji danych między procesorami, jednostkami pamięci i innymi komponentami.

Pezeshki tłumaczy, dlaczego połączenia są tak samo istotne jak same procesory.

„Gdy spojrzymy nieco szerzej, to moc obliczeniowa nie bierze się tylko z szybkich procesorów i pamięci, ale też z zagęszczenia połączeń między procesorami”.

„Przechodząc na fotonikę, szczególnie na równoległą wielopasmową konfigurację, w której informacje płyną z chipów pionowo, rozwiązuje się ten problem u źródła”.

Transformacja sprzętu, by dopasować go do wymogów fotoniki, to karkołomne zadanie. Pezeshki wyjaśnił, że jego firma dokłada starań, by przejście było bezproblemowe.

„Dla firm takich jak Nvidia czy Intel produkcja nowego procesora z wbudowanym optycznym interfejsem to poważne przedsięwzięcie. Dlatego ważne, by transformację zaplanować krok po kroku”.

“Tworzymy spełniające standardy kable optyczne, które mogą zastąpić tradycyjne przewody elektryczne, a także układy optyczne na płycie, które nie będą wymagały przeróbek karty graficznej”.

Gdy optyczne rozwiązania sprawdzą się w różnych dziedzinach zastosowania, designerzy chipów będą mogli umieścić optyczne rozwiązania bliżej obwodów scalonych. W dalszym horyzoncie czasowym zakłada się włączenie tej technologii do procesorów i układów pamięci, co z kolei pozwoli całkowicie wyeliminować opakowanie w postaci interfejsu, a docelowo również obwody scalone.

Podsumowanie

Przejście od elektroniki do fotoniki ma zrewolucjonizować architekturę obliczeniową w drodze nieoczekiwanej, jak by się wydawało, zmiany. Innowacje, które pojawiają się w postaci oprogramowania i kodu, znacznie różnią się od tych, które pojawiają się na poziomie sprzętowym.

Przejście od elektroniki i przewodów miedzianych do bezpośrednich kabli optycznych chip-to-chip stanowi wyzwanie. Aby fotonika mogła na stałe zagościć w branży, niezbędna jest daleko posunięta standaryzacja, rozwiązania w ramach łańcucha dostaw i logistyki, i szeroko rozumiana akceptacja i przyjęcie nowej technologii.

Jednak firmy takie jak Avicena, tworzące zgodne z przepisami, a zarazem innowacyjne rozwiązania, nie są osamotnione. Od Intela po NTT i innych gigantów w branży technologicznej, wszyscy mają fotonikę na liście priorytetów. Powód jest prosty.

Aby wyruszyć w dalszą podróż w przyszłość technologii, świat potrzebuje szybszego i bardziej wydajnego przetwarzania i przesyłania danych, ale także gęstszych połączeń umożliwiających jednoczesną komunikację. Fotonika i światło zapewniają to wszystko i jeszcze więcej.