Физики разработали метод сверхэффективных оптических вычислений без потери энергии

Исследователи из Университета Пенсильвании представили прорывную фотонную технологию, способную радикально повысить энергоэффективность систем искусственного интеллекта. В основе разработки лежат экситон-поляритоны — уникальные квазичастицы, объединяющие характеристики фотонов и материи. Благодаря им удалось создать оптический переключатель, функционирующий без необходимости трансляции сигнала в электрический формат.

Одной из острейших проблем современной индустрии ИИ остается колоссальное энергопотребление. Взрывной рост вычислительной сложности нейросетей приводит к перегреву графических процессоров и серверов, вынуждая дата-центры направлять колоссальные ресурсы не только на сами вычисления, но и на поддержание систем охлаждения.

Фотонные вычисления представляются перспективной альтернативой: свет превосходит электроны в скорости передачи данных и практически не выделяет тепла. Однако традиционным фотонным системам препятствует слабая способность фотонов к взаимодействию друг с другом, что затрудняет создание полноценных логических вентилей.

Команда американских ученых нашла выход, используя структуру из ультратонкого полупроводника, интегрированную в нанооптическую полость. В этой среде фотоны вступают в тесное взаимодействие с экситонами — парами электрон-дырка. Появляющиеся в процессе экситон-поляритоны сочетают молниеносную скорость света с необходимой для логических операций способностью к взаимодействию.

Ключевым достижением стал феноменально низкий порог энергопотребления оптического переключения: одна операция требует лишь около 4 фемтоджоулей. Этот показатель, превосходящий характеристики большинства существующих фотонных аналогов, столь мал, что едва сопоставим с энергией, необходимой для микроскопической вспышки светодиода.

В перспективе масштабирование этой технологии может стать фундаментом для создания полностью оптических нейропроцессоров. Это позволит не только существенно снизить счета за электроэнергию в ЦОД, но и минимизировать зависимость от мощных климатических систем, становящихся непомерным бременем для отрасли.

Тем не менее, авторы исследования призывают к сдержанному оптимизму: на данный момент технология существует лишь в виде лабораторного прототипа. Путь к практической реализации требует длительной работы по масштабированию системы и обеспечению ее стабильной функциональности в составе сложных вычислительных архитектур.

Источник: iXBT