Исследователи из MIT добились прогресса в разработке технологии, которая может изменить подход к передаче данных внутри компьютеров и серверов. Речь идет не о полностью «световом процессоре», а о сочетании классической электроники с фотоникой — технологией, в которой для передачи информации используется свет.
Современные процессоры, графические ускорители и серверные системы уже давно сталкиваются не только с проблемой вычислительной мощности. Все большим ограничением становится передача данных между отдельными чипами, памятью, ускорителями и сетевыми компонентами. Чем выше скорость, тем больше потерь, нагрева и энергопотребления.
Электроны считают, фотоны передают данные
Идея программы FUTUR-IC заключается в том, чтобы оставить электронику для вычислений, а фотонику использовать для связи между компонентами. Другими словами, транзисторы и впредь будут выполнять основную работу, но часть передачи данных должны взять на себя фотоны.
Такой подход логичен: световые сигналы уже давно используются в волоконно-оптических сетях, где требуется передавать большие объемы информации на значительные расстояния. MIT хочет перенести это преимущество ближе к самим микросхемам — в пакеты чипов и будущие вычислительные системы.
Основная сложность заключается в том, что электронные и фотонные компоненты необходимо соединять в одном корпусе надежно, недорого и так, чтобы это подходило для массового производства. Именно это долгое время оставалось одним из главных препятствий для более широкого применения фотоники в компьютерах.
«Оптические соединения» вместо одних лишь металлических контактов
В обычной электронике чипы соединяются с помощью микроскопических металлических контактов. Они передают электрические сигналы между различными элементами системы.
Для фотоники требуется элемент, схожий по роли, но иной по принципу действия — оптический соединитель, передающий не электроны, а свет. В рамках проекта FUTUR-IC исследователи из MIT разработали несколько типов таких оптических соединителей.
Один из них — GRIN-соединитель — может работать в более широком диапазоне длин волн, что обеспечивает большую гибкость при работе с различными оптическими сигналами. Другой, эванесцентный соединитель, проще в производстве и может размещаться более плотно, когда требуется большое количество соединений на небольшой площади.
Это может показаться мелочью, но именно такие инженерные решения зачастую определяют, останется ли технология на стадии лабораторной демонстрации или сможет перейти к промышленному производству.
Пропускная способность может вырасти до петабит
MIT заявляет об амбициозной цели — перейти от сотен терабит в секунду к уровню свыше 1 петабит/с. На странице программы FUTUR-IC также упоминается цель — около 10 петабит/с для всего пакета к 2030 году.
Это важно прежде всего для дата-центров, суперкомпьютеров, систем искусственного интеллекта и облачных сервисов. Именно там данные постоянно перемещаются между процессорами, графическими процессорами, памятью, накопителями и сетевыми узлами. В таких системах «узким местом» всё чаще становится не только скорость вычислений, но и стоимость передачи каждого бита.
Если фотонные соединения действительно позволят передавать данные быстрее и с меньшими потерями, это может помочь снизить энергопотребление будущих серверов. Для индустрии ИИ это особенно важно, ведь крупные модели требуют всё больше вычислительных ресурсов и электроэнергии.
Главный барьер — производство
Самое важное в этой разработке — то, что MIT стремится обеспечить её совместимость с уже существующей инфраструктурой производства полупроводников. Если новые элементы можно будет изготавливать на традиционном оборудовании, это существенно повысит шансы на их практическое применение.
Упаковка фотонных компонентов сегодня остается одним из самых дорогостоящих этапов. Именно поэтому интегрированная фотоника часто выглядит перспективной в лабораторных условиях, но сложной для массового внедрения.
Кроме того, в MIT ведётся работа над платформой Earthster, которая должна помочь оценивать экологический след полупроводниковых продуктов: потребление энергии, материалов и выбросы на различных этапах производства. Это показывает, что будущие чипы будут оцениваться не только по скорости, но и по тому, сколько ресурсов требуется для их создания.
Пока что эта технология не означает появления «световых процессоров» в обычных ноутбуках или смартфонах в ближайшем будущем. Но она может стать важным шагом для дата-центров и систем ИИ, где передача данных уже стала одной из главных технических и энергетических проблем.
