פוטונים במקום אלקטרונים: מהירות חישוב וחסכון אנרגטי; אבל יש גם חסמים ובעיות

שבב ה NPU הפוטוני של חברת Q-ANT מציג פריצת דרך בתחום החישובים האנלוגיים מבוססי האור. השבב מאפשר להגיע לביצועים תיאורטיים מהירים במיוחד בהשוואה ל GPU מסורתי. למרות זאת הטכנולוגיה סובלת מצוואר בקבוק של המרת אותות. המערכת ממירה אותות חשמליים לאור ובחזרה, ותהליך זה יוצר השהיה ופוגע בדיוק שהמפתחים דורשים עבור יישומי בינה מלאכותית מודרניים.

https://youtu.be/85WGqWTISj0?si=RBJfUkd8HYnqBeUK

דיווחים על המחשב שהחברה התקינה במרכז נתונים בגרמניה מראים כי המפתחים אינם משיגים את הביצועים בפועל דרך החלפה מלאה של השרתים הקיימים. במקום זאת הם משתמשים בשבב הפוטוני בתור Accelerator עבור משימות ספציפיות מאוד. חיבור PCIe סטנדרטי מקשר את המערכת למחשב מארח, וה CPU או ה GPU מעבירים לשבב האופטי רק את החלקים הכבדים של החישובים המתמטיים.

היתרון המרכזי שהחוקרים מדדו במתקן בגרמניה נובע מהאופן שבו האור מבצע פעולות מתמטיות. שבב סיליקון רגיל מזיז אלקטרונים דרך שערים לוגיים, ותהליך זה יוצר חום ומעכב את הפעולה. לעומת זאת השבב של חברת Q-ANT משתמש בתופעות פיזיקליות של התאבכות אור כדי לפתור משוואות לא ליניאריות באופן מיידי. שיפור הביצועים בשיעור של 5,000 אחוזים מתייחס לזמן הנטו של פעולת החישוב מרגע כניסת קרן הלייזר ועד יציאתה. גישה זו מאפשרת למערכת לבצע פעולות מורכבות בשבריר מהזמן והאנרגיה שדורש שבב חשמלי.

היישום המעשי באותו Data Center משאיר את צוואר הבקבוק בממשק שבין הדיגיטלי לאופטי. המחשב המארח בגרמניה עדיין עובד בשיטה חשמלית ולכן המערכת ממירה את המידע לאותות אור ובחזרה. תהליך זה הופך את המערכת ליעילה במיוחד עבור אפליקציות שכוללות מעט נתונים והרבה חישוב, כמו סימולציות פיזיקליות או אופטימיזציה של רשתות חשמל. מנגד המערכת מספקת יעילות נמוכה יותר במשימות שדורשות העברת כמויות עצומות של מידע, כמו אימון של מודלי LLM.

ההתקנה בגרמניה משמשת הוכחת היתכנות לכך שמפתחים יכולים לשלב מחשוב פוטוני בסביבת עבודה אמיתית וסטנדרטית. המערכת לא מחליפה את ה GPU לחלוטין, אלא מראה שחברות יכולות לחסוך אנרגיה רבה ולהאיץ חישובים ספציפיים. הן עושות זאת כאשר הן מעבירות את העומס מהאלקטרונים לפוטונים, כל עוד המשימה המתמטית מתאימה למבנה של השבב האופטי.

בתחום המחשוב הפוטוני שרשרת הערך כוללת מספר סוגי שחקנים ומתפצלת ביניהם. בדומה לעולם השבבים המסורתי רוב החברות שמפתחות ומוכרות את הטכנולוגיה אינן אלו שמייצרות בפועל את השבבים. חברות כמו Q-ANT או Lightmatter פועלות במודל Fabless ומחזיקות בקניין הרוחני. הן מבצעות את המחקר והפיתוח ומוכרות את המוצר הסופי ללקוחות הקצה. חברות אלו לוקחות אחריות גם על ההתקנה והתמיכה בלקוח אך הן אינן מקימות מפעלי Foundry מכיוון שעלות ההקמה מגיעה לעשרות מיליארדי דולרים. ענקיות השבבים מבצעות את הייצור הפיזי ומפעילות קווי ייצור ייעודיים עבור Silicon Photonics. השחקנית המרכזית בשוק זה היא TSMC הטיוואנית שמייצרת עבור רוב החברות בעולם ולצידה פועלת GlobalFoundries שהשקיעה רבות בתהליכי ייצור אופטיים. חברות אלו מייצרות את ה-Wafers לפי התכנון של הסטארטאפים ומעבירות אליהם את השבבים לשלב האריזה.

מעט חברות ענק שולטות בשרשרת כולה ומסוגלות לבצע את כל התהליכים In-house משלב המחקר ועד הייצור והמכירה. Intel היא אחת החברות היחידות בעולם שמפעילה גם מחלקות מחקר ופיתוח פוטוניות מתקדמות וגם מפעלים משלה לייצור השבבים. היא מוכרת רכיבים אופטיים ישירות ללקוחות וגם משלבת אותם במוצרים שהיא מפתחת. Cisco לעומתה רכשה חברות כמו Acacia וכך שולטת בשרשרת משלב התכנון האופטי ועד למכירת נתבי הענק שפועלים בחוות השרתים למרות שהיא מעבירה את הייצור הפיזי לקבלני משנה. המודל הנפוץ כיום מציג חלוקת עבודה ברורה ולפיה חברות כמו Q-ANT מובילות את המחקר התכנון המכירה וההתקנה בזמן שחברות כמו TSMC מבצעות את הייצור הפיזי. חברות ששולטות בכל התהליך הן בעיקר ענקיות ותיקות כמו Intel שמחזיקות מספיק משאבים כדי להפעיל מפעלים משלהן.

חברת Nvidia משחקת תפקיד מרכזי ודוחפת את המהפכה האופטית קדימה מזווית שונה מזו של הסטארטאפים. חברות צעירות מנסות לבנות מעבד שמבצע את פעולות החישוב באמצעות אור ואילו Nvidia משתמשת באור כדי לחבר בין אלפי המעבדים העוצמתיים שהיא מייצרת. היא רואה באור פתרון למגבלה הפיזית של כבלי נחושת רגילים שניסיון להעביר דרכם כמויות גדולות של מידע בין שבבים גורם להם לייצר חום רב ולאבד אנרגיה. כדי להבטיח את עליונותה Nvidia משקיעה סכומי עתק בשרשרת האספקה הפוטונית ומזרימה מיליארדי דולרים לחברות כמו Lumentum ו-Coherent שמייצרות רכיבי לייזר וסיליקון פוטוניקס. המטרה שלה היא להטמיע טכנולוגיית CPO בתוך השבבים שהיא מפתחת. בטכנולוגיה זו סיבים אופטיים מתחברים ישירות למעבד. חיבור כזה מאפשר להעביר נתונים במהירות האור בתוך השרת ולחסוך כשלושים אחוזים מצריכת האנרגיה של המערכת כולה.

הגישה של Nvidia היא פרגמטית והיברידית. היא לא ממהרת להחליף את חישוב הסיליקון המוכר בחישוב אופטי אלא הופכת את האור לכלי שמשרת את ה-GPU. התקשורת האופטית תשמש חלק בלתי נפרד מהמערכת בתכנוני המערכות העתידיים שחברת Nvidia מייעדת לשנים הקרובות. שילוב זה יאפשר לה לבנות חוות שרתים שבהן מיליוני שבבים עובדים כיחידה אחת ללא השהיה. Nvidia משתמשת בפוטוניקה כדי לחזק את המעבדים שלה ולהאריך את חייהם. היא מבינה שעתיד המחשוב תלוי גם ביכולת להניע מידע במהירות האור בין יחידות העיבוד השונות. בעקבות הבנה זו היא הופכת בעצמה לאחת השחקניות הגדולות ביותר בתחום הפוטוניקה העולמי.