光子芯片实现更快、更节能的人工智能程序
发布时间：2023-06-30 08:00:00 阅读数： 19
由克尔频率梳驱动的光子集成链路。资料来源：光波研究实验室/哥伦比亚大学工程学院
运行人工智能程序（如大型语言模型）的数据中心和高性能计算机并没有受到其单个节点的纯粹计算能力的限制。这是另一个问题--它们可以在节点之间传输的数据量--是目前限制这些系统的性能和扩展的 "带宽瓶颈 "的基础。
这些系统中的节点可以相隔一公里以上。由于金属线在高速传输数据时将电信号作为热量散失，这些系统通过光缆传输数据。不幸的是，当信号从一个节点发送到另一个节点时，在将电数据转化为光数据（再转化为光数据）的过程中浪费了大量的能量。
在《自然-光子学》上发表的一项研究中，哥伦比亚工程公司的研究人员展示了一种在连接节点的光缆上传输大量数据的高能效方法。这项新技术改进了以前在同一光缆上同时传输多个信号的尝试。新的芯片不需要使用不同的激光器来产生每个波长的光，而只需要一个激光器来产生数百个不同波长的光，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
这种毫米级的系统采用了一种叫做波分复用（WDM）的技术和叫做克尔频率梳的设备，在输入端获取一种颜色的光，在输出端创造出许多新颜色的光。由希金斯电气工程教授和应用物理学教授Michal Lipson以及应用物理学和材料科学教授兼电气工程教授David M. Rickey的Alexander Gaeta开发的关键克尔频率梳，使研究人员能够通过独立和精确的光波长发送清晰的信号，并在它们之间留出空间。
放在一角钱上的光子集成芯片。资料来源：光波研究实验室/哥伦比亚大学工程学院
"我们认识到这些设备是光通信的理想来源，人们可以在每种颜色的光上编码独立的信息通道，并在一根光纤上传播它们，"资深作者、哥伦比亚工程学院电气工程系Charles Batchelor教授Keren Bergman说，她还担任哥伦比亚纳米倡议的教员主任。这一突破可以使系统在不使用相应的更多能量的情况下传输成倍的数据。
该团队将所有的光学元件微型化，放在每个边缘大约几毫米的芯片上，用于产生光，用电子数据进行编码，然后在目标节点将光学数据转换为电信号。他们设计了一种新颖的光子电路结构，允许每个通道单独进行数据编码，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，也不会让接收器难以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Anthony Rizzo说，他在Bergman实验室做博士生时进行了这项工作，现在是美国空军研究实验室信息局的一名研究科学家。"它也更便宜，更容易扩大规模，因为氮化硅梳齿代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对接，大大减少了总的能源消耗，因为电气数据信号只需要在几毫米的距离上传播，而不是几十厘米。
伯格曼指出："这项工作所显示的是一条可行的路径，既能大幅降低系统能耗，同时又能将计算能力提高几个数量级，使人工智能应用继续以指数级的速度增长，对环境的影响最小。"
令人激动的结果为现实世界的部署铺平了道路
在实验中，研究人员设法为32个不同波长的光每秒传输16千兆比特，单根光纤的总带宽为512Gb/s，在传输的一万亿比特数据中误差不到1比特。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×1毫米，而接收光信号并将其转换成电信号的芯片尺寸仅为3毫米×1毫米--两者都比人的指甲小。
基于克尔频率梳驱动的硅光子链接的分解数据中心插图。资料来源：光波研究实验室/哥伦比亚大学工程学院
"Rizzo补充说："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到容纳超过100个通道，这完全在标准克尔频率梳设计的范围之内。
这些芯片可以用制造标准消费者笔记本电脑或手机中的微电子芯片的相同设施来制造，为批量扩展和现实世界的部署提供了一个直接的途径。
这项研究的下一步是将光子学与芯片规模的驱动和控制电子学相结合，以进一步使系统小型化。
参考资料
Massively scalable Kerr comb-driven silicon photonic link, Nature Photonics (2023). DOI: 10.1038/s41566-023-01244-7 , www.nature.com/articles/s41566-023-01244-7
