Ученные Сиднейского университета создали прототип нанофотонного процессора для искусственного интеллекта, который обрабатывает данные с помощью света вместо электрического тока. В ходе экспериментов чип успешно классифицировал десятки тысяч медицинских изображений с точностью до 99 процентов. Новая архитектура выполняет вычисления за пикосекунды (триллионные доли секунды), полностью исключая проблему тепловыделения, и демонстрирует альтернативу перегревающимся кремниевым серверам современных дата-центров.

Фотография нанофотонного процессора под микроскопом

На изображении представлены увеличенные микроскопические снимки нанофотонных ускорителей. Показаны оптические волноводы, подводящие свет к структуре с топологически оптимизированным материалом, где происходят физические вычисления. На нижних фрагментах видна интеграция чипа на печатную плату с золотыми контактами для взаимодействия с управляющей электроникой. Авторы: Joel Sved et al. Источник: Nature Communications.

Физика света против кремниевых ограничений

Исследовательская группа по фотонике Сиднейского университета под руководством профессора Сяокэ И представила работающий прототип сверхкомпактного оптического процессора. Устройство предназначено для выполнения математических операций, лежащих в основе машинного обучения. Особенность разработки заключается в полном отказе от перемещения электронов по металлическим проводникам — процесс обработки информации базируется на управлении фотонами.

Традиционные вычислительные системы при высоких нагрузках неизбежно выделяют колоссальный объем тепла из-за электрического сопротивления. Фотонный чип решает эту проблему на фундаментальном уровне. Свет проходит через наноструктуры без сопротивления, что делает генерацию тепла практически нулевой. Скорость выполнения одной операции при этом сокращается до пикосекундного диапазона — триллионных долей секунды. Это время, за которое свет физически успевает преодолеть структуру чипа.

Разработка была протестирована на базах данных MNIST (рукописные цифры) и MedNIST (более 10 000 биомедицинских изображений, включая МРТ грудной клетки и брюшной полости). В симуляциях система показала точность до 99 процентов. В реальных аппаратных экспериментах чип продемонстрировал точность классификации в 89 процентов для базы MNIST и 90 процентов для MedNIST, уверенно распознавая визуальные паттерны заболеваний на медицинских снимках.

Топологическая оптимизация вместо транзисторов

Индустрия искусственного интеллекта стремительно упирается в «энергетическую стену». Вычислительные центры требуют мегаватты электричества и миллионы литров воды для охлаждения серверов. Фотонные нейронные сети рассматриваются как логичный выход из кризиса, однако до сих пор их слабым местом оставались габариты. Создать оптический элемент сложнее, чем вытравить миллиард кремниевых транзисторов на одном квадратном миллиметре.

Австралийские исследователи обошли это ограничение с помощью метода обратного проектирования, основанного на 3D-моделировании электромагнитных полей. Вместо того чтобы строить нейросеть из классических оптических компонентов вроде интерферометра Маха-Цендера, инженеры позволили алгоритму самостоятельно рассчитать оптимальную форму материала.

Получившийся чип представляет собой сложную, визуально хаотичную наноструктуру из кремния и диоксида кремния. Внутри этой структуры световые волны (на длине волны 1550 нанометров) многократно рассеиваются и интерферируют. Проходя через материал, свет физически выполняет операцию умножения матриц. Размеры рабочей зоны составляют всего 20×20 микрометров для задачи распознавания цифр и 30×20 микрометров для медицинских изображений. По оценке создателей, такая архитектура обеспечивает феноменальную вычислительную плотность — около 400 миллионов обучаемых параметров на один квадратный миллиметр.

Решение проблемы нелинейности: опыт Массачусетского технологического института

Успех австралийской команды опирается на десятилетие предшествующих исследований в области физики оптических вычислений. Долгое время главным камнем преткновения для фотоники оставались нелинейные операции — функции активации, которые позволяют нейросети решать нешаблонные задачи и выявлять сложные закономерности. Фотоны практически не взаимодействуют друг с другом, из-за чего создание оптической нелинейности требовало огромных затрат энергии. В ранних системах оптические данные приходилось конвертировать обратно в электрические сигналы, отправлять на цифровой процессор для применения нелинейной функции, а затем снова переводить в свет.

Решение этой проблемы ранее предложила группа ученых из Массачусетского технологического института под руководством Дирка Энглунда и Саумила Бандиопадхьяя. В их архитектуре, описанной в журнале Nature Photonics, были применены нелинейные оптические функциональные блоки. Эти элементы отводят минимальную часть света на фотодиоды для преобразования в слабый ток, управляя нелинейностью без внешних усилителей.

В результате чип MIT смог выполнить весь цикл вычислений глубокой нейросети — как линейные, так и нелинейные операции — исключительно в оптическом домене менее чем за половину наносекунды с точностью выше 92 процентов. Исследователи доказали, что оптические процессоры могут обучаться в режиме реального времени, потребляя лишь малую долю энергии по сравнению с кремниевыми аналогами.

Коммерциализация: от стеклянных лабораторий к дата-центрам

Пока академические группы бьются над повышением точности и миниатюризацией вычислительных ядер, технологические компании уже адаптируют фотонику для нужд гиперскейлеров. Основное узкое место современных ИИ-кластеров — не только скорость самих вычислений, но и скорость передачи данных между видеокартами (GPU).

Компания Lightmatter выводит на рынок технологию 3D Co-Packaged Optics. Их решения, такие как фотонный суперчип Passage M1000, объединяют электронные интегральные схемы с фотонными напрямую в едином компактном модуле. Это снимает классические ограничения пропускной способности медных соединений, возникающие из-за физической нехватки места для контактов по периметру печатных плат. Что критически важно для обучения гигантских языковых моделей.

Фотонные модули Lightmatter способны передавать до 448 гигабит данных в секунду по одному оптическому каналу. Для достижения таких сверхскоростей применяется технология PAM4 — особый формат многоуровневой амплитудной модуляции, который позволяет «упаковывать» в каждый сигнал в два раза больше информации по сравнению с традиционными методами кодирования. Кроме того, архитектура системы позволяет производить горячую замену оптоволокна прямо в серверных стойках дата-центров.

Масштабирование оптического будущего

Команда Сиднейского университета уже подала патентную заявку на свою технологию нанофотонных чипов и работает над ее масштабированием. Следующим шагом станет объединение множества подобных блоков в крупные оптические сети для обработки фрагментированных данных по принципу сверточных нейросетей. Архитектура разрабатывается с расчетом на стандартные производственные процессы CMOS-фабрик. Переход индустрии на оптику — процесс не быстрый, однако успешная интеграция света на микроуровне доказывает, что у кремниевой монополии появился фундаментально обоснованный конкурент.

Физика света: от холодного вычисления в непрозрачном кремнии до природной инженерии

Анатомия холодного вычисления: фотоны заменяют электроны

Чтобы понять фундаментальную разницу между классическим и оптическим процессором, достаточно спуститься на уровень элементарных частиц. В основе работы любого современного графического ускорителя лежит направленное движение электронов. Электрон — частица с ненулевой массой покоя и отрицательным электрическим зарядом. Когда миллиарды этих частиц под действием напряжения продираются сквозь кристаллическую решетку полупроводника, они неизбежно сталкиваются с ее атомами.

В физике твердого тела этот процесс называется рассеянием, а на практике он работает как микроскопическое трение. Электроны отдают часть своей кинетической энергии решетке, заставляя атомы вибрировать сильнее. На макроуровне эта вибрация превращается в стремительный нагрев. Именно из-за этого фундаментального физического ограничения современные серверные стойки с видеокартами требуют гигантских радиаторов, мощных вентиляторов и тысяч литров воды для охлаждения.

Фотонная архитектура меняет сами правила игры, отказываясь от заряженных электронов в пользу фотонов. У фотона нет ни электрического заряда, ни массы покоя. Когда инфракрасный луч лазера попадает в наноразмерный кремниевый волновод оптического чипа, он движется по нему, не испытывая классического электрического сопротивления.

Фотоны не взаимодействуют друг с другом так, как это делают заряженные частицы, и не «трутся» об атомы направляющей среды (для длины волны 1550 нанометров кремний абсолютно прозрачен). Они проходят сквозь сложную топологию чипа без передачи паразитной энергии материалу. В результате математические операции — интерференция и рассеяние света, заменяющие умножение матриц — происходят не только с максимально возможной физической скоростью, но и без генерации тепла. Фотонному процессору не нужны системы охлаждения просто потому, что в нем нет трения.

Парадоксы кремниевой фотоники: свет в непрозрачном кристалле

На первый взгляд использование кремния для создания оптического процессора кажется абсурдом. В нашем привычном понимании кремний — это основа классической микроэлектроники, серый кристалл с металлическим блеском, сквозь который невозможно ничего разглядеть. Как материал, абсолютно непрозрачный для человеческого глаза, может стать микроскопической магистралью для лазерных лучей?

Разгадка кроется в длине волны. То, что является непреодолимой стеной для видимого спектра, для инфракрасного излучения оказывается открытой дверью. На длине волны 1550 нанометров (именно она используется в разработке Сиднейского университета и является стандартом для оптоволоконной связи) чистейший кристаллический кремний становится прозрачным, словно высококачественное оконное стекло.

Однако просто пропустить свет сквозь материал недостаточно — физикам нужно заставить луч поворачивать, делиться и интерферировать на площадке размером тоньше человеческого волоса. Для этого инженеры используют технологическую платформу «кремний-на-изоляторе». Тончайший слой кремния укладывается на подложку из диоксида кремния, после чего в верхнем слое вытравливаются микроскопические дорожки — оптические волноводы.

Здесь начинает работать фундаментальный закон оптики — полное внутреннее отражение. Кремний имеет очень высокий показатель преломления по сравнению с окружающим его диоксидом. Когда инфракрасный лазер попадает в такой кремниевый канал, резкий контраст оптических плотностей материалов превращает границы волновода в идеальное зеркало. Свет оказывается запертым внутри: он отскакивает от стенок кремниевой «проволоки» и мчится по извилистому наноразмерному лабиринту чипа, не рассеиваясь наружу. Именно этот физический трюк позволяет ученым использовать традиционное оборудование заводов по производству электроники для создания сложнейших световых процессоров.

Оптический обман: архитектура бабочки

Глядя на микроскопический снимок нового нанофотонного процессора, можно заметить, что его рабочая зона совершенно не похожа на строгую прямоугольную геометрию классических электронных микросхем. Она выглядит хаотичной, текучей, почти органической. Подобный подход к управлению светом за счет сложнейшей физической формы ученые давно подсмотрели у самой природы. Самый яркий пример такой оптической инженерии — крылья тропических бабочек рода морфо.

Знаменитый пронзительно-синий цвет их крыльев возникает не благодаря биологическим пигментам или химическим красителям. Если измельчить чешуйку такого крыла в пыль, сияющий оттенок исчезнет, оставив лишь невзрачную серую массу. Секрет кроется в явлении структурной окраски. На поверхности крыла расположены миллионы микроскопических элементов со сложной, напоминающей ветвящиеся деревья, наноструктурой. Когда свет попадает на этот рельеф, он многократно преломляется и интерферирует. Физическая архитектура чешуйки выверена эволюцией так, что световые волны синего спектра накладываются и усиливают друг друга, в то время как волны других цветов взаимно гасятся.

Создавая свой ИИ-чип методом топологической оптимизации, австралийские инженеры применили ровно тот же фундаментальный принцип. Алгоритм буквально «вылепил» из кремния сложнейший нанорельеф, который работает как идеальный оптический лабиринт. Точно так же, как крыло бабочки манипулирует светом для создания безупречного синего цвета, кремниевая структура процессора заставляет инфракрасные лазерные волны интерферировать и рассеиваться по строго заданным математическим векторам. В обоих случаях сложнейший результат — будь то потрясающий визуальный эффект или нейросетевая классификация медицинского снимка — достигается исключительно за счет виртуозной геометрии наноструктур: хитина у бабочки и кремния в процессоре.

Источники

• Inverse-designed nanophotonic neural network accelerators for ultra-compact optical computing — Nature Communications, авторы: Joel Sved, Shijie Song, Liwei Li, George Li, Debin Meng, Xiaoke Yi

• Sydney researchers build ultra-compact AI chip operating at speed of light — EurekAlert!

• Sydney researchers build ultra-compact AI chip operating at speed of light — EX2 for Defence Innovators, авторы: Gregor Ferguson

• Lightmatter® — The photonic (super)computer company. — Lightmatter

• Photonic processor could enable ultrafast AI computations with extreme energy efficiency — MIT News, авторы: Adam Zewe