杏彩体育运行人工智能程序（如大型语言模型）的数据中心和高性能计算机不受其各个节点的绝对计算能力的限制。这是另一个问题 - 它们可以在节点之间传输的数据量 - 这是目前限制这些系统的性能和扩展的“带宽瓶颈”的基础。

　　这些系统中的节点可以相隔一公里以上。由于金属线在高速传输数据时会以热量的形式散发电信号，因此这些系统通过光纤电缆传输数据。不幸的是，当信号从一个节点发送到另一个节点时，在将电数据转换为光学数据（并再次返回）的过程中浪费了大量能量。

　　在发表在Nature Photonics上的一项研究中，哥伦比亚工程学院的研究人员展示了一种节能的方法杏彩体育，该方法可以通过连接节点的光纤电缆传输大量数据。这项新技术改进了以前通过同一光纤电缆同时传输多个信号的尝试。新芯片不使用不同的激光器来产生每个波长的光，而是只需要一个激光器来产生数百个不同波长的光，这些光可以同时传输独立的数据流。

　　毫米级系统采用一种称为波分复用（WDM）的技术以及称为Kerr频率梳的器件，这些设备在输入端获取单一颜色的光，并在输出端产生许多新颜色的光。由希金斯电气工程教授兼应用物理学教授Michal Lipson和David M. Rickey应用物理与材料科学教授兼电气工程教授Alexander Gaeta开发的临界Kerr频率梳允许研究人员通过单独和精确的光波长发送清晰的信号，它们之间有空间。

　　“我们认识到这些设备是光通信的理想来源，人们可以在每种颜色的光上编码独立的信息通道，并通过一根光纤传播它们，”资深作者Keren Bergman说，他是哥伦比亚工程学院电气工程的Charles Batchelor教授，她也是哥伦比亚纳米计划的教务主任杏彩体育。这一突破可以使系统在不按比例使用更多能量的情况下以指数方式传输更多的数据。

　　该团队将所有光学组件小型化到每个边缘大约几毫米的芯片上，用于产生光，用电数据对其进行编码，然后将光学数据转换回目标节点的电信号。他们设计了一种新颖的光子电路架构，允许每个通道单独编码数据，同时对相邻通道的干扰最小。这意味着以每种颜色的光发送的信号不会变得混乱，接收器不会难以解释并转换回电子数据。

　　“通过这种方式，我们的方法比同类方法更加紧凑和节能，”该研究的主要作者Anthony Rizzo说杏彩体育，他在伯格曼实验室的博士生期间进行了这项工作，现在是美国空军研究实验室信息理事会的研究科学家。“它也更便宜，更容易扩展，因为氮化硅梳状代工厂可以在用于制造微电子芯片的标准CMOS代工厂制造，而不是在昂贵的专用III-V代工厂制造。

　　这些芯片的紧凑特性使它们能够直接与计算机电子芯片接口，大大降低了总能耗，因为电数据信号只需要传播到毫米而不是几十厘米的距离。

　　伯格曼指出，“这项工作表明，这是一条可行的道路，既可以大幅降低系统能耗，又可以将计算能力提高几个数量级，从而使人工智能应用继续以指数级的速度增长，同时对环境的影响最小。

　　在实验中，研究人员设法为32种不同波长的光传输每个波长每秒16千兆位，总单光纤带宽为512 Gb/s，在一万亿个传输的数据中，误差不到一个比特。这些是令人难以置信的高水平的速度和效率。传输数据的硅芯片的尺寸仅为4mm x 1mm，而接收光信号并将其转换为电信号的芯片尺寸仅为3mm x 1mm，两者都比人的指甲还小。

　　基于 Kerr 频率梳驱动硅光子链路的分解数据中心图示。资料来源：光波研究实验室/哥伦比亚工程

　　“虽然我们在原理验证演示中使用了 32 个波长通道，但我们的架构可以扩展以适应 100 多个通道，这完全在标准 Kerr 梳子设计的范围之内，”Rizzo 补充道。

　　这些芯片可以使用与制造标准消费类笔记本电脑或手机中的微电子芯片相同的设施来制造，从而为体积扩展和实际部署提供了直接的途径。

　　这项研究的下一步是将光子学与芯片级驱动和控制电子设备集成，以进一步使系统小型化。

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