フォトニック ニューロモーフィック コンピューティング: 次世代 AI シリコンのエネルギーの壁を突破する

基礎モデルが数兆パラメータを超えて拡大するにつれて、半導体工学は電子相互接続のボトルネックという乗り越えられない物理的境界に直面しています。サブ 2nm ゲートオールアラウンド (GAA) アーキテクチャによってトランジスタ密度は向上し続けていますが、銅線の電気抵抗と静電容量により、壊滅的な熱放散と寄生容量が発生します。最新の AI スーパークラスターでは、総システム電力の 60% 以上がテンソル計算ではなく、単に回路基板間のビットの往復に浪費されています。

フォトニック ニューロモーフィック コンピューティングは、このエネルギーの壁を打ち破るのに必要な量子飛躍を表します。銅線と電子を光の速度でシリコン導波路を通過する指向性光子に置き換えることにより、光コンピューティング プロセッサはほぼゼロの熱とサブピコ秒の遅延で線形行列演算を実行します。

光学ニューロモーフィックチップが光を使ってどのように計算するか

光ニューラル プロセッサの中核には、シリコン フォトニック集積回路 (PIC) があります。フォトニックプロセッサは、何十億ものシリコンロジックゲートのオン/オフを切り替えて浮動小数点演算を実行するのではなく、位相、振幅、��長などの光の基本波特性を操作します。

1. マッハツェンダー干渉計 (MZI) メッシュ

光マトリックスの乗算は、マッハツェンダー干渉計のプログラム可能なグリッドを通じて物理的に実行されます。微視的な熱位相シフトまたは電気光学位相シフトを適用することにより、入射コヒーレント レーザー ビームが建設的または破壊的に干渉します。この物理的な光干渉は、光がガラス導波路を通過するときに、任意のユニタリ行列変換を即座に実行します。

2. マイクロリング共振器 (MRR) と WDM

波長分割多重 (WDM) により、それぞれ微妙に異なる色の波長を持つ何百もの個別の光搬送波信号が、単一の微細なシリコン導波路を同時に伝播することが可能になります。マイクロリング共振器は、サブミクロンの精度でこれらの波長をフィルタリングおよび変調し、物理的な配線の混雑を伴うことなく並列マトリックス畳み込みを可能にします。

3. 共同パッケージ光学系 (CPO)

従来の AI アクセラレータは、PCIe レーンと銅線 SerDes ケーブルを介して電気信号を駆動する膨大なエネルギーを失います。同時パッケージ化された光学部品により、高度なコンピューティング シリコンと同じ基板上にフォトニック トランシーバーが直接マウントされ、重い銅配線が排除され、相互接続の消費電力が 75% 以上削減されます。

パフォーマンスの比較: シリコン光子と古典電子

戦略的な現実世界への応用

1. リアルタイムの自律防御およびレーダー信号処理

フェーズド アレイ レーダー システムと電子戦スイートは、ミリ秒あたり数百万の生の無線周波数 (RF) サンプルを生成します。電子マイクロプロセッサは、重大な遅延を生じさせずにこの洪水をデジタル化して処理することはできません。フォトニックプロセッサはアナログRF波を光信号に直接変換し、敵対的なレーダーチャープや航行上の脅威を即座に識別します。

2. マクロ経済スケールでのハイパースケール変圧器の推論

フロンティアのマルチモーダル推論モデルを実行すると、自治体のグリッドに大規模な負担が生じます。フォトニック アクセラレータを採用したハイパースケール データセンターは、標準的な変電所エンベロープ内で連続リアルタイム ビデオおよびオーディオ推論エンジンを動作させることができ、運用上の冷却予算を年間数百万ドル削減します。

3. ニューロモーフィック超低消費電力エッジセンサー

医療用内視鏡センサー、衛星遠隔測定ポッド、スマート ロボット ジョイントに統合された小型光学チップは、脆弱な無線接続を介して暗号化されていない生データ パケットを送信す��ことなく、感覚入力をローカルに分類できます。