Trasmissione simultanea di dati con più colori di luce

NEW YORK, NY – 29 giugno 2023 – I data center e i computer ad alte prestazioni che eseguono programmi di intelligenza artificiale, come i modelli di linguaggio di grandi dimensioni, non sono limitati dalla pura potenza computazionale dei loro singoli nodi. È un altro problema – la quantità di dati che possono trasferire tra i nodi – che è alla base del “collo di bottiglia della larghezza di banda” che attualmente limita le prestazioni e la scalabilità di questi sistemi.

I nodi in questi sistemi possono essere separati da più di 1 km. Poiché i fili metallici dissipano i segnali elettrici sotto forma di calore durante la trasmissione dei dati ad alta velocità, questi sistemi trasmettono i dati tramite cavi in ​​fibra ottica. Sfortunatamente, molta energia viene sprecata nel processo di conversione dei dati elettrici in dati ottici (e viceversa) mentre i segnali vengono trasmessi da un nodo all’altro.

In Lo studio è stato pubblicato oggi sulla rivista Nature Photonicse ricercatori in Ingegneria Columbia Dimostrare un metodo efficiente dal punto di vista energetico per trasmettere grandi quantità di dati su cavi in ​​fibra ottica che collegano i nodi. Questa nuova tecnologia migliora i precedenti tentativi di trasmettere più segnali contemporaneamente sugli stessi cavi in ​​fibra ottica. Invece di utilizzare un laser diverso per generare ciascuna lunghezza d’onda della luce, i nuovi chip richiedono un solo laser per generare centinaia di lunghezze d’onda distinte della luce in grado di trasmettere simultaneamente flussi di dati indipendenti.

Un modo più semplice ed efficiente dal punto di vista energetico per trasferire i dati

Il sistema in scala millimetrica utilizza una tecnologia chiamata multiplexing a divisione di lunghezza d’onda (WDM) e dispositivi chiamati pettini di frequenza Kerr che prendono un colore di luce in ingresso e creano molti nuovi colori di luce in uscita. Pettini di frequenza Critical Ker sviluppati da Michele LipsonHiggins Professore di Ingegneria Elettrica e Professore di Fisica Applicata Alessandro JettaDavid M. Rickey, professore di fisica applicata e scienza dei materiali e professore di ingegneria elettrica, ha permesso ai ricercatori di trasmettere segnali chiari attraverso lunghezze d’onda discrete e precise della luce, con uno spazio intermedio.

“Ci siamo resi conto che questi dispositivi costituiscono fonti ideali per le comunicazioni ottiche, in quanto è possibile codificare canali indipendenti di informazioni su ciascun colore della luce e propagarli su una singola fibra ottica”, afferma l’autore principale. Keren BergmannProfessore Carlo Batchelor ingegnere elettrico alla Columbia Engineering, dove è anche Direttore della Facoltà presso la Columbia Engineering Iniziativa Columbia Nano. Questa svolta potrebbe consentire ai sistemi di trasmettere in modo esponenziale più dati senza consumare proporzionalmente più energia.

Il team ha miniaturizzato tutti i componenti fotonici su fette lunghe circa pochi millimetri su ciascun bordo per generare luce, codificandola con dati elettrici e quindi riconvertendo i dati ottici in un segnale elettrico nel nodo target. Hanno creato una nuova architettura del circuito ottico che consente a ciascun canale di essere codificato individualmente con dati con interferenze minime con i canali adiacenti. Ciò significa che i segnali trasmessi in ogni colore della luce non diventano distorti e difficili da interpretare e riconvertire in dati elettronici per il ricevitore.

afferma l’autore principale dello studio Anthony Rizzo, che ha condotto questo lavoro mentre era studente di dottorato nel laboratorio di Bergman e ora è un ricercatore presso l’Information Administration dell’US Air Force Research Laboratory. “È anche più economico e più facile da scalare poiché i wafer di generazione di pettini di nitruro di silicio possono essere realizzati in fonderie CMOS standard utilizzate per la produzione di chip microelettronici piuttosto che in costose fonderie III-V personalizzate”.

La natura compatta di questi chip consente l’interfaccia diretta con i chip elettronici del computer, il che riduce notevolmente il consumo energetico complessivo poiché i segnali dei dati elettrici devono propagarsi solo su una distanza di millimetri anziché di decine di centimetri.

Bergman ha osservato: “Ciò che questo lavoro mostra è un percorso praticabile verso una riduzione significativa del consumo energetico del sistema, aumentando contemporaneamente la potenza di calcolo di ordini di grandezza, consentendo alle applicazioni di intelligenza artificiale di continuare a crescere a un ritmo esponenziale con un impatto ambientale minimo”.

Risultati entusiasmanti aprono la strada alla pubblicazione nel mondo reale

Negli esperimenti, i ricercatori sono stati in grado di trasmettere a 16 Gbps per lunghezza d’onda di 32 diverse lunghezze d’onda della luce per una larghezza di banda totale a fibra singola di 512 Gbps con un errore inferiore a uno su un trilione di bit di dati trasmessi. Questi sono livelli incredibilmente alti di velocità ed efficienza. Il wafer di silicio che trasmette i dati misura solo 4 mm x 1 mm, mentre quello che riceve il segnale luminoso e lo converte in un segnale elettrico misura solo 3 mm x 1 mm, entrambi più piccoli di un’unghia umana.

“Anche se abbiamo utilizzato 32 canali di lunghezza d’onda nella dimostrazione di principio, il nostro design può essere modificato per ospitare più di 100 canali, che è alla portata dei design standard dei pettini Kerr”, aggiunge Rizzo.

Questi chip possono essere realizzati utilizzando le stesse strutture dei chip microelettronici che si trovano in un normale laptop o telefono cellulare di consumo, fornendo un percorso diretto per l’espansione su scala e l’implementazione nel mondo reale.

Il prossimo passo in questa ricerca è integrare la fotonica con l’elettronica di azionamento e controllo su scala di chip per miniaturizzare ulteriormente il sistema.