В Карлсруэском технологическом институте (KIT) приступили к изучению альтернативного подхода к высокопроизводительным вычислениям, основанного на использовании света. В основе системы лежит фотонный процессор немецкой компании Q.ANT.
В отличие от классических CPU и GPU, где вычисления выполняются за счёт тока на транзисторах, фотонный ускоритель обрабатывает данные с помощью световых сигналов напрямую, что позволяет экономить время и снижать энергопотребление.
Процесс вычислений устроен так: цифровые данные преобразуются в параметры оптического сигнала — фазу и амплитуду, после чего свет направляется в интегральную фотонную схему. Там оптические волноводы и интерферометры управляют амплитудой и фазой световых волн.
При прохождении по разным оптическим путям волны интерферируют друг с другом, подобно кругам на воде, и в этот момент выполняются заданные математические операции. Такой принцип особенно эффективен для матричных вычислений — основы работы нейронных сетей. Итоговый результат фотодетекторы преобразуют обратно в электрический сигнал.
Важно отметить: фотонный процессор Q.ANT не заменяет традиционные центральные и графические процессоры полностью. Компания разрабатывает гибридную архитектуру, где CPU, GPU и фотонный NPU (Native Processing Unit) будут выполнять те задачи, для которых каждый из них подходит лучше всего.
Главное преимущество такой схемы — не столько скорость распространения света, сколько возможность параллельного выполнения множества операций. Оптическая схема способна обрабатывать целый набор сигналов одновременно, причём вычисления происходят прямо во время прохождения света через чип.
Это существенно сокращает количество операций передачи данных между памятью и вычислительными блоками — один из главных источников энергопотребления современных ИИ-систем.
По оценкам Q.ANT, для отдельных задач искусственного интеллекта фотонная технология способна обеспечить до 30-кратный прирост энергоэффективности по сравнению с классической CMOS-электроникой. При этом электричество всё же требуется для работы лазеров, модуляторов, фотодетекторов и управляющей электроники — речь идёт не о полном отказе от электричества, а об экономичном способе выполнения части операций.
Специалисты KIT намерены протестировать технологию не только в лабораторных, но и в условиях реальной вычислительной инфраструктуры. В ходе экспериментов учёные определят, какие задачи выгоднее передавать фотонному ускорителю, а какие — оставить электронным процессорам.
Такой подход особенно актуален для искусственного интеллекта, где объём матричных вычислений постоянно растёт, а энергопотребление дата-центров становится серьёзной проблемой. В перспективе гибридные системы могут объединить CPU, GPU, фотонные и даже квантовые ускорители, распределяя нагрузку в зависимости от типа задачи.
Стоит уточнить, что нынешняя версия фотонного процессора выполняет преимущественно линейные операции. Однако компания уже работает над созданием процессоров, способных выполнять нелинейные преобразования световых импульсов — это критически важно для полноценной работы нейросетей.