29 년 2023 월 XNUMX 일 (나노 워크 뉴스) 대규모 언어 모델과 같은 인공 지능 프로그램을 실행하는 데이터 센터 및 고성능 컴퓨터는 개별 노드의 순수한 컴퓨팅 성능에 의해 제한되지 않습니다. 현재 이러한 시스템의 성능과 확장을 제한하는 "대역폭 병목 현상"의 기초가 되는 것은 또 다른 문제, 즉 노드 간에 전송할 수 있는 데이터의 양입니다. 이러한 시스템의 노드는 XNUMXkm 이상 분리될 수 있습니다. 금속 와이어는 고속으로 데이터를 전송할 때 전기 신호를 열로 방출하므로 이러한 시스템은 광섬유 케이블을 통해 데이터를 전송합니다. 불행하게도 신호가 한 노드에서 다른 노드로 전송될 때 전기 데이터를 광학 데이터로 변환하고 다시 변환하는 과정에서 많은 에너지가 낭비됩니다. 에 발표된 연구에서 자연 Photonics (“대규모 확장이 가능한 Kerr 빗 구동 실리콘 포토닉 링크”), Columbia Engineering의 연구원은 노드를 연결하는 광섬유 케이블을 통해 더 많은 양의 데이터를 전송하는 에너지 효율적인 방법을 시연합니다. 이 새로운 기술은 동일한 광섬유 케이블을 통해 여러 신호를 동시에 전송하려는 이전 시도를 개선합니다. 각 파장의 빛을 생성하기 위해 서로 다른 레이저를 사용하는 대신, 새로운 칩은 독립적인 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있는 수백 개의 서로 다른 파장의 빛을 생성하는 데 단일 레이저만 필요합니다. 한푼도 광자 통합 칩. (이미지 : 컬럼비아 엔지니어링 광파 연구소)

더욱 간단하고 에너지 효율적인 데이터 전송 방법

밀리미터 규모 시스템은 파장 분할 다중화(WDM)라는 기술과 입력에서 단일 색상의 빛을 가져와 출력에서 ​​많은 새로운 색상의 빛을 생성하는 Kerr 주파수 빗이라는 장치를 사용합니다. Higgins 전기 공학 교수이자 응용 물리학 교수인 Michal Lipson과 응용 물리학 및 재료 과학 교수이자 전기 공학 교수인 Alexander Gaeta가 개발한 임계 Kerr 주파수 빗을 통해 연구원들은 다음을 통해 명확한 신호를 보낼 수 있었습니다. 분리되고 정확한 빛의 파장을 분리하고 그 사이에 공간을 둡니다. "우리는 이러한 장치가 빛의 각 색상에 대한 독립적인 정보 채널을 인코딩하여 단일 광섬유를 통해 전파할 수 있는 광통신에 이상적인 소스가 된다는 것을 인식했습니다."라고 수석 저자이자 Columbia Engineering의 전기 공학과 교수인 Keren Bergman은 말합니다. , 그녀는 Columbia Nano Initiative의 교수진으로도 활동하고 있습니다. 이러한 획기적인 발전을 통해 시스템은 비례적으로 더 많은 에너지를 사용하지 않고도 기하급수적으로 더 많은 데이터를 전송할 수 있습니다. 팀은 빛을 생성하기 위해 각 가장자리에서 약 몇 밀리미터 정도의 칩으로 모든 광학 구성 요소를 소형화하고 전기 데이터로 인코딩한 다음 대상 노드에서 광학 데이터를 다시 전기 신호로 변환했습니다. 그들은 인접한 채널과의 간섭을 최소화하면서 각 채널을 데이터로 개별적으로 인코딩할 수 있는 새로운 광자 회로 아키텍처를 고안했습니다. 이는 빛의 각 색상으로 전송된 신호가 혼란스러워서 수신기가 해석하고 전자 데이터로 다시 변환하는 것이 어려워지지 않음을 의미합니다. "이러한 방식으로 우리의 접근 방식은 비교 가능한 접근 방식보다 훨씬 더 컴팩트하고 에너지 효율적입니다."라고 Bergman 연구실에서 박사 과정을 밟는 동안 이 작업을 수행했으며 현재 US Air의 연구 과학자인 이번 연구의 주저자 Anthony Rizzo는 말합니다. 힘 연구소 정보국. "또한 질화규소 빗살 생성 칩은 값비싼 전용 III-V 파운드리보다는 마이크로 전자 칩을 제조하는 데 사용되는 표준 CMOS 파운드리에서 제조될 수 있기 때문에 더 저렴하고 확장하기 쉽습니다." 전기 및 광섬유 연결을 통해 인쇄 회로 기판에 장착된 광 송신기 칩입니다. (이미지: 컬럼비아 엔지니어링의 Lightwave Research Laboratory) 이 칩의 컴팩트한 특성으로 인해 컴퓨터 전자 칩과 직접 인터페이스할 수 있으며, 전기 데이터 신호가 수십 센티미터가 아닌 밀리미터의 거리만 전파하면 되므로 총 에너지 소비가 크게 줄어듭니다. . Bergman은 "이 연구에서 보여주는 것은 시스템 에너지 소비를 극적으로 줄이는 동시에 컴퓨팅 성능을 몇 배나 증가시켜 인공 지능 애플리케이션이 환경에 미치는 영향을 최소화하면서 기하급수적인 속도로 계속 성장할 수 있도록 하는 실행 가능한 경로입니다."라고 말했습니다.

흥미로운 결과로 실제 배포의 길을 열다

실험에서 연구원들은 16조 개의 전송된 데이터 비트 중 32비트 미만의 오류로 총 512Gb/s의 단일 광섬유 대역폭에 대해 4개의 서로 다른 빛 파장에 대해 초당 1기가비트를 전송할 수 있었습니다. 이는 엄청나게 높은 수준의 속도와 효율성입니다. 데이터를 전송하는 실리콘 칩의 크기는 3mm x 1mm에 불과한 반면, 광 신호를 수신하여 전기 신호로 변환하는 칩의 크기는 32mm x 100mm에 불과합니다. 둘 다 사람 손톱보다 작습니다. "원리 증명 시연에서 XNUMX개의 파장 채널을 사용했지만 우리의 아키텍처는 XNUMX개 이상의 채널을 수용하도록 확장될 수 있으며 이는 표준 Kerr 빗 디자인의 범위 내에 있습니다."라고 Rizzo는 덧붙입니다. 이러한 칩은 표준 소비자 노트북이나 휴대폰에 사용되는 마이크로 전자 칩을 만드는 데 사용되는 것과 동일한 시설을 사용하여 제조할 수 있으므로 볼륨 확장 및 실제 배포에 대한 간단한 경로를 제공합니다. 이 연구의 다음 단계는 포토닉스를 칩 규모 구동 및 제어 전자 장치와 통합하여 시스템을 더욱 소형화하는 것입니다.

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• 출처: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63263.php