Кажется, фотонные процессоры — их также называют оптическими — могут стать для мира новой точкой технологического развития, особенно на фоне все нарастающей необходимости в повышенной вычислительной мощности с приходом генеративных ИИ-моделей. Впрочем, назвать технологию «стучащейся» в дверь, по крайней мере, в коммерческих продуктах, пока сложно — разбираемся в деталях.
Вполне возможно, что применяемый сегодня кремний и основанные на нем технологии для создания процессоров когда-то — вероятно, в относительно недалеком будущем — уже достигнут своего предела. Именитый закон Мура, по которому количество транзисторов на кристалле интегральной схемы удваивается каждые два года, начал буксовать. Какие альтернативы?
В теории их много — от квантовых процессоров до молекулярных и биотехнологических вариантов. Но «спасителем» может стать свет — причем буквально. Фотоны, частицы света, способны заменить электроны, параллельно многократно (по крайней мере, в теории) увеличив вычислительные мощности в определенных типах операций. Хотя без пары но, над которыми сегодня бьются исследователи, традиционно не обходится.
Что такое «фотонный процессор», а также почему их называют возможными (а по некоторым исследованиям, наиболее вероятными) преемниками всей кремниевой логики? Разбираемся в деталях.
В сети нашлось такое определение: «Оптические, или фотонные, вычислители — гипотетические вычислительные устройства, вычисления в которых производятся с помощью фотонов излучаемыми лазерами или светодиодами. Большинство нынешних исследований направлено на замену традиционных (электронных) компонентов компьютера на их оптические эквиваленты».
В целом определение справедливо. Если максимально упростить, то «классические» процессоры в наших компьютерах, смартфонах и большинстве другой техники действуют с помощью электронов, перемещающихся между элементами на печатной плате и, по сути, таким образом обеспечивающих «цифровую» работу — от открытия браузера до распознавания лица по фотографии.
Почему тогда от подобных процессоров требуется отказаться? Здесь лучше подойдет термин «придется»: кремниевые процессоры хороши, но существует ряд технологических ограничений, с которыми мы вскоре, вероятно, можем столкнуться:
В свою очередь фотонный процессор — это чип, в котором вместо электронов информацию передают фотоны (другими словами, частицы света). Не те, что освещают комнату, а миниатюрные, управляемые лучи, пущенные по микроскопическим «оптическим» дорожкам.
В чем их основные преимущества? Свет не имеет массы, не нагревает материал так, как ток, и способен двигаться с повышенной скоростью. Проще говоря, свет просто не «застревает» в проводниках и не сталкивается с теми же препятствиями, что и электроны. Исходя из этой логики, фотонные схемы потенциально эффективнее электронных вариаций (в части процессов).
Хотя есть нюанс: утверждать, что свет быстрее электричества — неправильно. Оба типа сигнала распространяются примерно с одинаковой скоростью (да, речь про скорость света). Достоинство фотонов в том, что они не взаимодействуют между собой. Благодаря этому по одному физическому каналу можно передавать несколько сигналов одновременно.
Есть хороший пример: представьте поезд, двигающийся по заданному маршруту со скоростью 100 км/ч, но всего с одним пассажиром, — это электрическое соединения. Такой же поезд, двигающийся с такой же скоростью, но с целыми десятью тысячами пассажиров, — фотонное соединение. Очевидно, эффективность последнего в разы выше.
Последнее, как утверждается, особенно важно для ИИ-моделей: нейросетевые вычисления, как правило, требуют специфических операций (вроде матричных умножений), которые даются нынешним СPU/GPU-чипам сложнее в сравнении с иными операциями. Фотонные процессоры же, исходя из их архитектуры, лучше проявляют себя там, где есть необходимость обрабатывать постоянно растущие объемы данных параллельно (вспоминаем пример с поездом).
Сегодня существует несколько разновидностей фотонных процессоров, которые могут различаться как по размерам, так и по материалам, конфигурациям и даже способам управления. Их настройка обычно разнится в зависимости от той или иной исследовательской лаборатории — как упоминалось выше, до коммерческих вариантов (пока) далеко.
Почему? У большинства фотонных процессоров на сегодня, независимо от конфигурации, один общий недостаток — их не получается легко перенастраивать для выполнения различных задач. Проще говоря, каждый новый эксперимент требует глубокой адаптации, а иногда и создания полностью нового чипа.
Поэтому фотонные процессоры сегодня зачастую работают в тандеме с обычными электронными компонентами — получая от них команды, отправляя обратно результаты. Речь о гибридной оптоволоконной архитектуре, которая сегодня считается наиболее перспективной. Проще говоря, вычисления в таком гибриде ложатся на транзисторы (электронные устройства), передача информации — на свет (фотоны).
Для работы такой структуры (чаще всего) необходимо наличие нескольких компонентов:
Компаний (и исследователей в университетах разных стран — от США, России и Китая до государств поменьше), занимающихся разработками на базе фотонных вычислений, достаточно. Среди крупных игроков выделяются, например, IBM, Microsoft, Procyon Photonics, Lightelligence, Lightmatter, Optalysys, Xanadu Quantum Technologies, QuiX Quantum, ORCA Computing, PsiQuantum, Quandela и Tundra Systems Global.
Ниже кратко о некоторых из них:
Есть о чем рассказать? Пишите в наш телеграм-бот. Это анонимно и быстро
Перепечатка текста и фотографий Onlíner запрещена без разрешения редакции. ga@onliner.by