Дослідники MIT просунулися в розробці технології, яка може змінити підхід до передавання даних усередині комп’ютерів і серверів. Йдеться не про повністю «світловий процесор», а про поєднання класичної електроніки з фотонікою — технологією, де для передавання інформації використовується світло.
Сучасні процесори, графічні прискорювачі та серверні системи вже давно стикаються не лише з проблемою обчислювальної потужності. Дедалі більшим обмеженням стає передавання даних між окремими чипами, пам’яттю, прискорювачами та мережевими компонентами. Що вища швидкість, то більше втрат, нагріву й енергоспоживання.
Електрони рахують, фотони передають дані
Ідея програми FUTUR-IC полягає в тому, щоб залишити електроніку для обчислень, а фотоніку використовувати для комунікації між компонентами. Іншими словами, транзистори й надалі виконуватимуть основну роботу, але частину передавання даних мають взяти на себе фотони.
Такий підхід логічний: світлові сигнали вже давно використовуються у волоконно-оптичних мережах, де потрібно передавати великі обсяги інформації на значні відстані. MIT хоче перенести цю перевагу ближче до самих мікросхем — у пакети чипів і майбутні обчислювальні системи.
Головна складність у тому, що електронні та фотонні компоненти потрібно з’єднувати в одному корпусі надійно, дешево і придатно для масового виробництва. Саме це довгий час залишалося одним із головних бар’єрів для ширшого використання фотоніки в комп’ютерах.
«Оптичні з’єднання» замість лише металевих контактів
У звичайній електроніці чипи з’єднуються за допомогою мікроскопічних металевих контактів. Вони передають електричні сигнали між різними елементами системи.
Для фотоніки потрібен схожий за роллю, але інший за принципом елемент — оптичний зв’язок, який передає не електрони, а світло. У межах FUTUR-IC дослідники MIT розробили кілька типів таких оптичних з’єднувачів.
Один із них — GRIN-coupler — може працювати в ширшому діапазоні довжин хвиль, що дає більшу гнучкість для різних оптичних сигналів. Інший, евaнесцентний з’єднувач, простіший у виробництві й може розміщуватися щільніше, коли потрібна велика кількість з’єднань на малій площі.
Це може здатися дрібницею, але саме такі інженерні рішення часто визначають, чи залишиться технологія лабораторною демонстрацією, чи зможе перейти до промислового виробництва.
Пропускна здатність може зрости до петабітів
MIT заявляє про амбітну мету — перейти від сотень терабітів на секунду до рівня понад 1 петабіт/с. На сторінці програми FUTUR-IC також згадується ціль близько 10 петабіт/с для всього пакета до 2030 року.
Це важливо насамперед для дата-центрів, суперкомп’ютерів, систем штучного інтелекту та хмарних сервісів. Саме там дані постійно рухаються між процесорами, GPU, пам’яттю, накопичувачами та мережевими вузлами. У таких системах вузьким місцем дедалі частіше стає не лише швидкість обчислень, а й вартість передавання кожного біта.
Якщо фотонні з’єднання справді дозволять передавати дані швидше й з меншими втратами, це може допомогти зменшити енергоспоживання майбутніх серверів. Для індустрії ШІ це особливо важливо, адже великі моделі потребують дедалі більше обчислювальних ресурсів і електроенергії.
Головний бар’єр — виробництво
Найважливіше в цій розробці те, що MIT намагається зробити її сумісною з уже наявною інфраструктурою напівпровідникового виробництва. Якщо нові елементи можна буде виготовляти на традиційному обладнанні, це суттєво підвищить шанси на практичне використання.
Пакування фотонних компонентів сьогодні залишається одним із найдорожчих етапів. Саме через це інтегрована фотоніка часто виглядає перспективною в лабораторії, але складною для масового впровадження.
Окремо в MIT працюють і над платформою Earthster, яка має допомагати оцінювати екологічний слід напівпровідникових продуктів: витрати енергії, матеріалів і викиди на різних етапах виробництва. Це показує, що майбутні чипи оцінюватимуть не лише за швидкістю, а й за тим, скільки ресурсів потрібно для їхнього створення.
Поки що технологія не означає появу «світлових процесорів» у звичайних ноутбуках чи смартфонах найближчим часом. Але вона може стати важливим кроком для дата-центрів і систем ШІ, де передавання даних уже перетворилося на одну з головних технічних і енергетичних проблем.
