Transmiterea simultană a datelor cu mai multe culori de lumină

NEW YORK, NY – 29 iunie 2023 – Centrele de date și computerele de înaltă performanță care rulează programe de inteligență artificială, cum ar fi modelele de limbaj mari, nu sunt limitate de puterea de calcul absolută a nodurilor lor individuale. Este o altă problemă – cantitatea de date pe care o pot transfera între noduri – care stă la baza „gâtului de bandă” care limitează în prezent performanța și scalarea acestor sisteme.

Nodurile din aceste sisteme pot fi separate cu mai mult de 1 km. Deoarece firele metalice disipă semnalele electrice sub formă de căldură atunci când transmit date la viteze mari, aceste sisteme transmit date prin cabluri de fibră optică. Din păcate, se irosește multă energie în procesul de conversie a datelor electrice în date optice (și înapoi), deoarece semnalele sunt transmise de la un nod la altul.

în Studiul a fost publicat astăzi în revista Nature Photonicsiar cercetătorii în Columbia Engineering Demonstrați o metodă eficientă din punct de vedere energetic pentru transmiterea unor cantități mai mari de date prin cabluri de fibră optică care conectează nodurile. Această nouă tehnologie îmbunătățește încercările anterioare de a transmite mai multe semnale simultan prin aceleași cabluri de fibră optică. În loc să folosească un laser diferit pentru a genera fiecare lungime de undă de lumină, noile cipuri necesită un singur laser pentru a genera sute de lungimi de undă distincte de lumină care pot transmite simultan fluxuri independente de date.

O modalitate mai simplă și mai eficientă din punct de vedere energetic de a transfera date

Sistemul la scară milimetrică folosește o tehnologie numită multiplexare prin diviziune în lungime de undă (WDM) și dispozitive numite piepteni de frecvență Kerr care preiau o culoare de lumină la intrare și creează multe culori noi de lumină la ieșire. Piepteni de frecvență Ker critici dezvoltați de Michael LipsonHiggins profesor de inginerie electrică și profesor de fizică aplicată Alexandru JettaDavid M. Rickey, profesor de fizică aplicată și știința materialelor și profesor de inginerie electrică, a permis cercetătorilor să transmită semnale clare prin lungimi de undă discrete și precise de lumină, cu spațiu între ele.

„Ne-am dat seama că aceste dispozitive reprezintă surse ideale pentru comunicațiile optice, deoarece se pot codifica canale independente de informații pentru fiecare culoare de lumină și le pot propaga pe o singură fibră optică”, spune autorul principal. Keren BergmanProfesorul Charles Batchelor Inginerie Electrică la Columbia Engineering, unde este și director al facultății la Columbia Engineering Inițiativa Columbia Nano. Această descoperire ar putea permite sistemelor să transmită exponențial mai multe date fără a utiliza proporțional mai multă putere.

Echipa a miniaturizat toate componentele fotonice pe felii de aproximativ câțiva milimetri lungime pe fiecare margine pentru a genera lumină, a codificat-o cu date electrice și apoi a convertit datele optice înapoi într-un semnal electric la nodul țintă. Ei au creat o nouă arhitectură de circuit optic care permite fiecărui canal să fie codificat individual cu date cu interferențe minime cu canalele adiacente. Aceasta înseamnă că semnalele transmise în fiecare culoare de lumină nu devin distorsionate și dificil de interpretat și convertit înapoi de către receptor în date electronice.

spune autorul principal al studiului, Anthony Rizzo, care a condus această lucrare în timp ce era doctorand în laboratorul lui Bergman și este acum cercetător la Administrația de Informații a Laboratorului de Cercetare al Forțelor Aeriene din SUA. „Este, de asemenea, mai ieftin și mai ușor de scalat, deoarece plăcile generatoare de pieptene cu nitrură de siliciu pot fi produse în turnătorii CMOS standard utilizate pentru fabricarea cipurilor microelectronice, mai degrabă decât în ​​turnătorii III-V personalizate costisitoare.”

Natura compactă a acestor cipuri permite interfața directă cu cipurile electronice ale computerului, ceea ce reduce foarte mult consumul total de energie, deoarece semnalele de date electrice trebuie să se propagă doar pe milimetri de distanță, mai degrabă decât pe zeci de centimetri.

Bergman a remarcat: „Ceea ce arată această lucrare este o cale viabilă către reducerea semnificativă a consumului de energie a sistemului și, în același timp, creșterea puterii de calcul cu ordine de mărime, permițând aplicațiilor AI să continue să crească la o rată exponențială cu impact minim asupra mediului”.

Rezultate interesante deschid calea publicării în lumea reală

În experimente, cercetătorii au reușit să transmită la 16 Gbps pe lungime de undă a 32 de lungimi de undă diferite de lumină pentru o lățime de bandă totală cu o singură fibră de 512 Gb/s, cu o eroare de mai puțin de unul dintr-un trilion de biți de date transmise. Acestea sunt niveluri incredibil de ridicate de viteză și eficiență. Placa de siliciu care transmite datele măsoară doar 4 mm x 1 mm, în timp ce cea care primește semnalul luminos și îl transformă într-un semnal electric măsoară doar 3 mm x 1 mm – ambele mai mici decât o unghie umană.

„În timp ce am folosit 32 de canale cu lungime de undă în demonstrația de demonstrare a principiului, designul nostru poate fi modificat pentru a găzdui mai mult de 100 de canale, ceea ce este la îndemâna modelelor standard Kerr pieptene”, adaugă Rizzo.

Aceste cipuri pot fi realizate folosind aceleași facilități ca cipurile microelectronice găsite într-un laptop obișnuit de consumator sau un telefon mobil, oferind o cale directă către extinderea la scară și implementarea în lumea reală.

Următorul pas în această cercetare este de a integra fotonica cu unitatea la scară de cip și electronica de control pentru a miniaturiza în continuare sistemul.