الحوسبة العصبية الضوئية: كسر جدار الطاقة في الجيل التالي من السيليكون الاصطناعي

مع تجاوز نماذج الأساس عدة تريليونات من المعلمات، تواجه هندسة أشباه الموصلات حدودًا فيزيائية لا يمكن التغلب عليها: عنق الزجاجة الإلكتروني. في حين استمرت كثافة العبور في التقدم من خلال أبنية البوابة الشاملة (GAA) التي يقل طولها عن 2 نانومتر، فإن المقاومة الكهربائية وسعة الأسلاك النحاسية تولد تبديدًا حراريًا معوقًا وسعة طفيلية. في العناقيد الفائقة الحديثة للذكاء الاصطناعي، لا يتم إهدار ما يزيد عن 60% من إجمالي طاقة النظام على حساب الموتر، ولكن مجرد نقل البتات عبر لوحات الدوائر.

وتمثل الحوسبة العصبية الضوئية القفزة الكمية المطلوبة لكسر جدار الطاقة هذا. من خلال استبدال الأسلاك النحاسية والإلكترونات الكهربائية بفوتونات موجهة تنتقل عبر أدلة موجية من السيليكون بسرعة الضوء، تقوم معالجات الحوسبة الضوئية بإجراء عمليات حسابية مصفوفية خطية مع حرارة قريبة من الصفر وزمن وصول أقل من البيكو ثانية.

كيف تقوم الرقائق العصبية ا��ضوئية بالحوسبة باستخدام الضوء

في قلب المعالج العصبي البصري توجد دائرة السيليكون الضوئية المتكاملة (PIC). فبدلاً من إجراء عمليات الفاصلة العائمة عبر مليارات من بوابات السيليكون المنطقية التي يتم تشغيلها وإيقافها، تتلاعب المعالجات الضوئية بالخصائص الموجية الأساسية للضوء، مثل الطور والسعة والطول الموجي.

1. شبكات مقياس تداخل ماخ زيندر (MZI).

يتم تنفيذ مضاعفة المصفوفة الضوئية فعليًا من خلال شبكات قابلة للبرمجة من أجهزة قياس تداخل Mach-Zehnder. من خلال تطبيق تحولات الطور الحراري أو الكهروضوئي المجهري، تتداخل أشعة الليزر المتماسكة الواردة بشكل بناء أو مدمر. ينفذ هذا التداخل البصري المادي تحويلات مصفوفة وحدوية تعسفية على الفور أثناء مرور الضوء عبر أدلة الموجات الزجاجية.

2. الرنانات الحلقية الدقيقة (MRRs) وWDM

يمكّن تعدد الإرسال بتقسيم الطول الموجي (WDM) مئات الإشارات الحاملة الضوئية المنفصلة - كل منها على طول موجة لون مختلف بمهارة - من السفر في وقت واحد عبر دليل موجي مجهري واحد من السيليكون. تقوم الرنانات ذات الحلقات الدقيقة بتصفية وتعديل هذه الأطوال الموجية بدقة دون الميكرون، مما يسمح بتلافيفات المصفوفة المتوازية دون ازدحام الأسلاك المادية.

3. البصريات المجمعة (CPO)

تفقد مسرعات الذكاء الاصطناعي التقليدية طاقة هائلة في توجيه الإشارات الكهربائية عبر ممرات PCIe و��ابلات SerDes النحاسية. تعمل البصريات المعبأة بشكل مشترك على تركيب أجهزة الإرسال والاستقبال الضوئية مباشرة على نفس الركيزة مثل السيليكون الحسابي المتقدم، مما يؤدي إلى التخلص من آثار النحاس الثقيلة وتقليل تبديد طاقة التوصيل البيني بنسبة تزيد عن 75%.

مقارنة الأداء: فوتونات السيليكون مقابل الإلكترونات الكلاسيكية

تطبيقات استراتيجية في العالم الحقيقي

1. الدفاع الذاتي في الوقت الحقيقي ومعالجة إشارات الرادار

تعمل أنظمة الرادار ذات المصفوفة المرحلية ومجموعات الحرب الإلكترونية على توليد ملايين من عينات الترددات الراديوية الأولية (RF) في كل مللي ثانية. ولا تستطيع المعالجات الدقيقة الإلكترونية تحويل هذا الطوفان إلى صيغة رقمية ومعالجته دون تأخير شديد. تقوم المعالجات الضوئية بتحويل موجات التردد اللاسلكي التناظرية مباشرة إلى إشارات بصرية، مما يؤدي إلى تحديد زقزقة الرادار المعادية والتهديدات الملاحية على الفور.

2. استنتاج المحولات ذات الحجم الكبير على نطاق الاقتصاد الكلي

يؤدي تشغيل نماذج التفكير متعددة الوسائط الحدودية إلى خلق ضغوط هائلة على الشبكة البلدية. يمكن لمراكز البيانات واسعة النطاق التي تعتمد المسرعات الضوئية تشغيل محركات استدلال فيديو وصوت مستمرة في الوقت الفعلي ضمن مظاريف المحطات الفرعية الكهربائية القياس��ة، مما يقلل ميزانيات التبريد التشغيلية بملايين الدولارات سنويًا.

3. مستشعرات الحافة العصبية ذات الطاقة المنخفضة للغاية

يمكن للرقائق الضوئية المصغرة المدمجة في أجهزة استشعار التنظير الطبي، وكبسولات القياس عن بعد عبر الأقمار الصناعية، والمفاصل الروبوتية الذكية تصنيف المدخلات الحسية محليًا دون نقل حزم البيانات الخام غير المشفرة عبر اتصالات الراديو الضعيفة.