Komputery przyszłości będą przesyłać informacje z prędkością światła. Naukowcy wykonali pierwszy krok w kierunku stworzenia układów fotonicznych

Wraz z rozwojem sektora sztucznej inteligencji oraz Big Data rośnie zapotrzebowanie na komputery o wysokiej mocy obliczeniowej. Urządzenia oparte na architekturze krzemowej stanowią przeszkodę na drodze do skalowania rozwiązań tego typu. Branża technologiczna poszukuje rozwiązań, które pozwolą szybciej i sprawniej przetwarzać duże zasoby informacji. Z pomocą mogą przyjść nie tylko komputery kwantowe, lecz także układy fotoniczne wykorzystujące do przesyłania informacji wiązkę światła, a nie sygnał elektryczny.

Zaawansowane systemy sztucznej inteligencji oraz algorytmy analizy Big Data wymagają technologii zdolnej do przetwarzania dużych zasobów informacji przy niskim nakładzie energetycznym oraz wysokiej wydajności. W odpowiedzi na rozwój tego sektora gospodarki inżynierowie Google opracowali specjalizowane układy scalone Tensor Processing Unit przystosowane do pracy w głębokich sieciach neuronowych oraz systemach uczenia maszynowego. Jednak nawet tak wyspecjalizowane jednostki mogą okazać się niewystarczające do stworzenia wydajnych sieci neuronowych nowej generacji z powodu zbyt archaicznej architektury bazującej na rozwiązaniach krzemowych.

Naukowcy z George Washington University znaleźli sposób na znaczące przyspieszenie wyspecjalizowanych układów obliczeniowych.

– Odkryliśmy, że zintegrowane platformy fotoniczne, które integrują wydajną pamięć optyczną, mogą uzyskiwać te same operacje, co jednostka przetwarzająca tensor, ale zużywają one ułamek mocy i mają wyższą przepustowość, a po odpowiednim wytrenowaniu mogą być używane do wykonywania wnioskowania z prędkością światła – podkreśla Mario Miscuglio, adiunkt na Wydziale Inżynierii Elektrycznej i Komputerowej Uniwersytetu George’a Washingtona.

Na łamach magazynu „Applied Physics Reviews” zaproponowali skonstruowanie sieci neuronowej, która przesyłałaby informacje za pośrednictwem wiązki światła, a nie impulsu elektrycznego. Fotoniczne TPU miałoby umożliwić symultaniczne gromadzenie, przesyłanie i przetwarzanie danych. Wdrożenie nowej architektury pozwoliłoby dwu–trzykrotnie zwiększyć przepustowość komputerów pracujących w ramach sieci neuronowych.

– Wyspecjalizowane procesory fotoniczne mogą zaoszczędzić ogromne ilości energii, skrócić czas reakcji i zmniejszyć ruch w centrum danych – przekonuje Mario Miscuglio.

Technologia fotonicznego przetwarzania danych jest jednak dopiero we wczesnej fazie rozwoju. Choć dysponujemy światłowodami zdolnymi do przesyłania danych w formie wiązki światła, do stworzenia komputera optycznego potrzebne są jeszcze układy optyczne przystosowane do fotonicznego przetwarzania informacji.

Ważny krok na drodze do urzeczywistnienia tej technologii wykonali naukowcy z IBM Research Zurich, którzy w 2019 roku zaprezentowali optyczny tranzystor organiczny, przetwarzający dane z 1000-krotnie wyższą prędkością niż układy krzemowe. Wstępne eksperymenty wykazały, że tranzystory tego typu mogą pracować z częstotliwością dochodzącą do teraherca. Do upowszechnienia technologii tego typu niezbędne jest jednak zminiaturyzowanie układu fotonicznego – tranzystor IBM Research Zurich jest 1000-krotnie większy niż współczesne tranzystory krzemowe.