Jednoczesna transmisja danych z wieloma kolorami światła

NOWY JORK, NY — 29 czerwca 2023 r. — Centra danych i wysokowydajne komputery obsługujące programy sztucznej inteligencji, takie jak duże modele językowe, nie są ograniczone samą mocą obliczeniową poszczególnych węzłów. Kolejna kwestia – ilość danych, które mogą przesyłać między węzłami – leży u podstaw „wąskiego gardła przepustowości”, które obecnie ogranicza wydajność i skalowalność tych systemów.

Węzły w tych systemach mogą być oddalone od siebie o więcej niż 1 km. Ponieważ metalowe przewody rozpraszają sygnały elektryczne w postaci ciepła podczas przesyłania danych z dużą prędkością, systemy te przesyłają dane za pomocą kabli światłowodowych. Niestety, dużo energii jest marnowane w procesie przekształcania danych elektrycznych w dane optyczne (i z powrotem), gdy sygnały są przesyłane z jednego węzła do drugiego.

W Badanie zostało opublikowane dzisiaj w czasopiśmie Nature Photonicsi naukowcy w Inżynieria Kolumbii Zademonstruj energooszczędną metodę przesyłania większej ilości danych za pomocą światłowodów łączących węzły. Ta nowa technologia poprawia wcześniejsze próby przesyłania wielu sygnałów jednocześnie przez te same kable światłowodowe. Zamiast używać innego lasera do generowania każdej długości fali światła, nowe chipy wymagają tylko jednego lasera do generowania setek różnych długości fal światła, które mogą jednocześnie przesyłać niezależne strumienie danych.

Prostszy i bardziej energooszczędny sposób przesyłania danych

System skali milimetrowej wykorzystuje technologię zwaną multipleksowaniem z podziałem długości fali (WDM) oraz urządzenia zwane grzebieniami częstotliwości Kerra, które przyjmują jeden kolor światła na wejściu i tworzą wiele nowych kolorów światła na wyjściu. Krytyczne grzebienie częstotliwości Ker opracowane przez Michaela LipsonaHiggins profesor elektrotechniki i profesor fizyki stosowanej Aleksandra JettyDavid M. Rickey, profesor fizyki stosowanej i materiałoznawstwa oraz profesor elektrotechniki, umożliwił naukowcom przesyłanie wyraźnych sygnałów za pomocą dyskretnych, precyzyjnych długości fal światła, z przestrzenią pomiędzy nimi.

„Zdaliśmy sobie sprawę, że te urządzenia są idealnymi źródłami komunikacji optycznej, ponieważ można kodować niezależne kanały informacji o każdym kolorze światła i propagować je w jednym światłowodzie” – mówi główny autor. Kerena BergmanaProfesor Charles Batchelor Inżynieria elektryczna w Columbia Engineering, gdzie jest również dyrektorem wydziału w Columbia Engineering Inicjatywa Columbia Nano. Ten przełom może umożliwić systemom przesyłanie wykładniczo większej ilości danych bez zużywania proporcjonalnie większej mocy.

Zespół zminiaturyzował wszystkie komponenty fotoniczne na plastry o długości około kilku milimetrów na każdej krawędzi, aby wygenerować światło, zakodował je danymi elektrycznymi, a następnie przekształcił dane optyczne z powrotem w sygnał elektryczny w węźle docelowym. Stworzyli nową architekturę obwodu optycznego, która umożliwia indywidualne kodowanie danych dla każdego kanału przy minimalnej interferencji z sąsiednimi kanałami. Oznacza to, że sygnały przesyłane w każdym kolorze światła nie ulegają zniekształceniu i utrudniają odbiornikowi interpretację i konwersję z powrotem na dane elektroniczne.

mówi główny autor badania, Anthony Rizzo, który prowadził tę pracę jako doktorant w laboratorium Bergmana, a obecnie jest naukowcem w Administracji Informacji Laboratorium Badawczego Sił Powietrznych Stanów Zjednoczonych. „Jest również tańszy i łatwiejszy do skalowania, ponieważ płytki grzebieniowe z azotku krzemu można wytwarzać w standardowych odlewniach CMOS używanych do produkcji chipów mikroelektronicznych, a nie w drogich niestandardowych odlewniach III-V”.

Kompaktowy charakter tych chipów umożliwia bezpośredni interfejs z elektronicznymi chipami komputerowymi, co znacznie zmniejsza ogólne zużycie energii, ponieważ elektryczne sygnały danych muszą rozprzestrzeniać się tylko na odległość milimetrów, a nie dziesiątek centymetrów.

Bergman zauważył: „To, co pokazuje ta praca, to realna ścieżka do znacznego zmniejszenia zużycia energii przez system przy jednoczesnym zwiększeniu mocy obliczeniowej o rzędy wielkości, umożliwiając aplikacjom AI dalszy rozwój w tempie wykładniczym przy minimalnym wpływie na środowisko”.

Ekscytujące wyniki torują drogę do publikacji w świecie rzeczywistym

W eksperymentach naukowcy byli w stanie transmitować z prędkością 16 Gb/s na długość fali 32 różnych długości fal światła, uzyskując łączną przepustowość pojedynczego włókna 512 Gb/s z błędem mniejszym niż jeden na bilion przesyłanych bitów danych. Są to niewiarygodnie wysokie poziomy szybkości i wydajności. Płytka krzemowa, która przesyła dane, ma wymiary zaledwie 4 mm x 1 mm, a ta, która odbiera sygnał świetlny i przetwarza go na sygnał elektryczny, ma wymiary zaledwie 3 mm x 1 mm – oba są mniejsze od ludzkiego paznokcia.

„Chociaż w demonstracji sprawdzającej zasadę użyliśmy 32 kanałów o długości fali, nasz projekt można skalować, aby pomieścić ponad 100 kanałów, co jest w zasięgu standardowych projektów grzebieni Kerr” — dodaje Rizzo.

Chipy te można wytwarzać przy użyciu tych samych urządzeń, co chipy mikroelektroniczne, które można znaleźć w standardowym laptopie konsumenckim lub telefonie komórkowym, zapewniając bezpośrednią ścieżkę do skalowania ekspansji i wdrażania w świecie rzeczywistym.

Kolejnym krokiem w tych badaniach jest integracja fotoniki z napędem i elektroniką sterującą w skali mikroukładu, aby jeszcze bardziej zminiaturyzować system.