光子芯片可实现更快 更节能的人工智能程序

运行人工智能程序(例如大型语言模型)的数据中心和高性能计算机不受其单个节点的强大计算能力的限制。另一个问题是它们可以在节点之间传输的数据量，它是当前限制这些系统的性能和扩展的“带宽瓶颈”的根源。

这些系统中的节点可以相距一公里以上。由于金属线在高速传输数据时会将电信号以热量的形式耗散，因此这些系统通过光纤电缆传输数据。不幸的是，当信号从一个节点发送到另一个节点时，在将电数据转换为光数据(然后再转换回来)的过程中浪费了大量能量。

在《自然光子学》上发表的一项研究中，哥伦比亚工程学院的研究人员展示了一种节能方法，可以通过连接节点的光纤电缆传输大量数据。这项新技术改进了之前通过同一光纤电缆同时传输多个信号的尝试。新芯片不需要使用不同的激光器来产生每种波长的光，而是只需要一个激光器来产生数百种不同波长的光，这些光可以同时传输独立的数据流。

一种更简单、更节能的数据传输方法

该毫米级系统采用了一种称为波分复用(WDM)的技术和一种称为克尔频率梳的设备，在输入端接收单色光，并在输出端产生许多新颜色的光。由希金斯电气工程教授兼应用物理学教授米哈尔·利普森(MichalLipson)和应用物理和材料科学教授兼电气工程教授大卫·M·里基(DavidM.Rickey)亚历山大·盖塔(AlexanderGaeta)开发的临界克尔频率梳使研究人员能够通过单独且精确的光波长，它们之间有空间。

“我们认识到这些设备是光通信的理想来源，人们可以对每种颜色的光编码独立的信息通道，并通过单根光纤传播它们，”哥伦比亚大学工程学院电气工程系查尔斯·巴彻勒教授、资深作者凯伦·伯格曼(KerenBergman)说道。，她还担任哥伦比亚纳米计划的教员主任。这一突破可以让系统在不消耗更多能源的情况下传输更多的数据。

该团队将所有光学元件小型化到每个边缘大约几毫米的芯片上，以产生光，用电数据对其进行编码，然后在目标节点将光数据转换回电信号。他们设计了一种新颖的光子电路架构，允许每个通道单独编码数据，同时对相邻通道的干扰最小。这意味着以每种颜色的光发送的信号不会变得混乱并且难以让接收器解释并转换回电子数据。

“通过这种方式，我们的方法比同类方法更加紧凑和节能，”该研究的主要作者安东尼·里佐(AnthonyRizzo)说，他在攻读博士学位期间进行了这项工作。伯格曼实验室的学生，现在是美国空军研究实验室信息局的研究科学家。“它也更便宜且更容易扩展，因为氮化硅梳状生成芯片可以在用于制造微电子芯片的标准CMOS代工厂中制造，而不是在昂贵的专用III-V代工厂中制造。”

这些芯片的紧凑性使它们能够直接与计算机电子芯片连接，从而大大降低了总能耗，因为电数据信号只需传播几毫米的距离，而不是几十厘米。

伯格曼指出：“这项工作展示了一条可行的途径，既可以大幅降低系统能耗，同时将计算能力提高几个数量级，从而使人工智能应用程序能够以指数级速度继续增长，同时对环境影响最小。”

令人兴奋的结果为实际部署铺平了道路

在实验中，研究人员成功地以每秒16GB的速度传输32种不同波长的光，单光纤总带宽为512Gb/s，传输的1万亿比特数据中的错误率不到1位。这些都是令人难以置信的高水平的速度和效率。传输数据的硅芯片尺寸仅为4毫米x1毫米，而接收光信号并将其转换为电信号的芯片尺寸仅为3毫米x1毫米，两者都比人类的指甲还小。

“虽然我们在原理验证演示中使用了32个波长通道，但我们的架构可以扩展以容纳100多个通道，这完全在标准Kerr梳设计的范围内，”Rizzo补充道。

这些芯片可以使用与制造标准消费笔记本电脑或手机中的微电子芯片相同的设施来制造，从而为体积扩展和实际部署提供了直接的途径。

这项研究的下一步是将光子学与芯片级驱动和控制电子器件集成，以进一步小型化系统。