انقلاب در کارایی چیپ‌ها با جایگزینی فلز با نور!
به گزارش «نبض فناوری»، در یک تحول بزرگ در صنعت فناوری، شرکت‌های پیشرو مانند آمازون، گوگل و انویدیا در حال توسعه فناوری جدیدی هستند که با جایگزینی سیم‌های فلزی با نور در چیپ‌ها، سرعت انتقال داده را تا ۱۰۰ برابر افزایش می‌دهد.
این فناوری که به نام فوتونیک سیلیکونی (Silicon Photonics) شناخته می‌شود، از نور برای انتقال داده بین چیپ‌ها استفاده می‌کند و وعده می‌دهد که محدودیت‌های کنونی انتقال داده در سیستم‌های محاسباتی پیشرفته، به‌ویژه در حوزه هوش مصنوعی (AI) و محاسبات با کارایی بالا (HPC)، را برطرف کند.
دستاوردی جالب توجه و حتی انقلابی که نتیجه به کارگیری فناوری فوتونیک سیلیکونی است که در آن از نور به جای جریان الکتریکی (در سیم‌های مسی) برای انتقال داده بین چیپ‌ها استفاده می‌شود. این رویکرد چندین مزیت کلیدی دارد:
سرعت بالا: نور می‌تواند داده‌ها را با سرعت بسیار بیشتری نسبت به الکترون‌ها در سیم‌های مسی منتقل کند. محققان دانشگاه میشیگان تخمین زده‌اند که این فناوری می‌تواند سرعت انتقال داده را به ده‌ها ترابیت در ثانیه برساند، یعنی بیش از ۱۰۰ برابر سریع‌تر از اتصالات الکتریکی پیشرفته کنونی.
مصرف انرژی کمتر: انتقال داده با نور انرژی کمتری مصرف می‌کند، زیرا نور در مقایسه با سیگنال‌های الکتریکی گرمای کمتری تولید می‌کند و از تداخل الکترومغناطیسی جلوگیری می‌کند.
کارایی در فاصله بیشتر: برخلاف اتصالات مسی که برای مسافت‌های بیش از چند متر کارایی خود را از دست می‌دهند، نور می‌تواند داده‌ها را در فواصل طولانی‌تر با حفظ کیفیت منتقل کند. این ویژگی برای مراکز داده و سوپرکامپیوتر‌ها حیاتی است.
قابلیت پیکربندی مجدد: فناوری پیشنهادی شامل استفاده از موج‌بر‌های نوری (Optical Waveguides) است که می‌توانند با استفاده از مواد تغییر فاز (Phase-Changing Materials) پیکربندی شوند. این امکان را فراهم می‌کند که مسیر‌های انتقال داده به‌صورت پویا تغییر کنند، مشابه باز و بسته کردن جاده‌ها در یک شبکه ترافیکی.
پیشبرد تکنولوژی ارتباط نوری در چند شرکت
آمازون: آمازون از طریق آزمایشگاه آناپورنا (Annapurna Labs) خود روی توسعه چیپ‌هایی کار می‌کند که وابستگی این شرکت به پردازنده‌های گران‌قیمت انویدیا را کاهش دهد. این چیپ‌ها، مانند Trainium و Inferentia، از فناوری‌های پیشرفتهای مانند فوتونیک سیلیکونی بهره می‌برند تا محاسبات پیچیده هوش مصنوعی را با هزینه کمتر و سرعت بالاتر انجام دهند. آمازون در رویداد Prime Day خود از ۸۰،۰۰۰ چیپ هوش مصنوعی سفارشی استفاده کرد که نشان‌دهنده تعهد این شرکت به این فناوری است.
گوگل: گوگل نیز در حال توسعه سوئیچ‌های نوری سفارشی برای سوپرکامپیوتر‌های خود است که از فناوری فوتونیک برای اتصال هزاران واحد پردازش تنسور (TPU) استفاده می‌کنند. گوگل ادعا کرده که این فناوری سرعت پردازش را تا ۱.۷ برابر و بهره‌وری انرژی را تا ۱.۹ برابر در مقایسه با چیپ‌های A۱۰۰ انویدیا بهبود می‌بخشد.
انویدیا: انویدیا، اگرچه رهبر بازار چیپ‌های هوش مصنوعی است، رویکرد محتاطانه‌تری به فوتونیک سیلیکونی دارد. این شرکت در حال توسعه سوئیچ‌های شبکه‌ای مبتنی بر فوتونیک، مانند Spectrum-X Photonics و Quantum-X Photonics، است که سرعت انتقال داده را تا ۴۰۰ ترابیت در ثانیه می‌رسانند. با این حال، جنسن هوانگ، مدیرعامل انویدیا، اعلام کرده که این فناوری هنوز برای استفاده گسترده در چیپ‌های GPU به دلیل مسائل قابلیت اطمینان آماده نیست و اتصالات مسی همچنان برای فواصل کوتاه ترجیح داده می‌شوند.
پروژه‌های تحقیقاتی و سرمایه‌گذاری
همزمان با فعالیت غول‌های تکنولوژی در این عرصه، در دانشگاه میشیگان هم تیمی به رهبری دی لیانگ، استاد مهندسی برق و کامپیوتر، با بودجه ۲ میلیون دلاری از بنیاد ملی علوم (NSF) در حال توسعه سیستمی برای اتصال چیپ‌ها با نور است.
این پروژه با همکاری دانشگاه‌های واشنگتن، پنسیلوانیا، آزمایشگاه ملی لارنس برکلی و شرکای صنعتی مانند گوگل، HPE، مایکروسافت و انویدیا انجام می‌شود و هدف از اجرای آن، رفع "دیوار حافظه" است که سرعت انتقال داده را در سیستم‌های هوش مصنوعی محدود می‌کند.
افزون بر این، برخی استارتاپ‌ها مانند Ayar Labs، Lightmatter و Celestial AI با جذب صد‌ها میلیون دلار سرمایه، توسعه چیپ‌های ورودی/خروجی نوری (TeraPHY) و منابع نوری خارجی (SuperNova) را در دستور کار قرار داده‌اند و ابراز امیدواری می‌کنند که بتوانند تا سال ۲۰۲۸ این فناوری را به تولید انبوه برسانند.
نکته جالب توجه این است که بر اساس پیش بینی‌های کارشناسان، فوتونیک سیلیکونی تا سال ۲۰۲۸ به بخش مهمی از زیرساخت‌های محاسباتی تبدیل خواهد شد و سهمی چند میلیارد دلاری در بازار خواهد یافت؛ اتفاقی مشابه آنچه در سال ۲۰۲۰ برای بازار چیپ‌های گرافیکی هوش مصنوعی رقم خورد، با این تفاوت که جایگزینی کامل اتصالات مسی با نوری، پروسه‌ای زمان بر خواهد بود.
چالش‌ها و محدودیت‌های این فناوری نوین
با وجود پتانسیل عظیم، این فناوری با چالش‌هایی مواجه است:
قابلیت اطمینان: انویدیا اعلام کرده که اتصالات نوری هنوز به اندازه اتصالات مسی قابل اعتماد نیستند. جنسن هوانگ در کنفرانس توسعه‌دهندگان انویدیا در سال ۲۰۲۵ اظهار داشت که اتصالات مسی در حال حاضر "ده‌ها برابر" قابل اعتمادتر هستند.
هزینه تولید: تولید انبوه چیپ‌های مبتنی بر فوتونیک سیلیکونی همچنان گران است. مارک وید، مدیرعامل Ayar Labs (یکی از استارتاپ‌های پیشرو در این حوزه)، اذعان کرده که صنعت هنوز در حال یافتن راه‌هایی برای کاهش هزینه‌ها و افزایش مقیاس‌پذیری است.
پیچیدگی‌های مهندسی: ادغام فناوری نوری در چیپ‌ها نیازمند طراحی‌های پیچیده و مواد جدید است. به عنوان مثال، استفاده از موج‌بر‌های نوری و لیزر‌های میکروسکوپی نیاز به پیشرفتهای بیشتری در تولید دارد.
