В отличие от классических GPU, для фотонной части вычислителя могут оказаться достаточными нормы 90–45 нм. При этом речь идет не о прямой замене графических процессоров, а о гибридной системе, где оптика и электроника будут выполнять разные типы операций.
Фотонный процессор хотят встроить в гибридную систему
Российские разработчики рассматривают фотонные вычислители как специализированный инструмент для инференса нейросетей, обработки сигналов и отдельных задач оптимизации. Об этом сообщает ТАСС со ссылкой на группу компаний "Элемент" по итогам круглого стола, посвященного развитию фотонных вычислений. Подробности также приводит iXBT.
При этом говорить о полноценной замене GPU пока преждевременно. Предлагаемая архитектура предполагает разделение вычислений между оптической и электронной частями системы.
Основным элементом должен стать фотонный матричный вычислительный блок. Он будет выполнять операции, для которых оптические технологии дают преимущества по скорости или энергопотреблению. Электронная часть при этом сохранит функции управления, хранения данных и выполнения операций, которые нецелесообразно переносить на фотонику.
Такая архитектура принципиально отличается от идеи создать универсальный "фотонный GPU". Разработчики фактически предлагают специализированный ускоритель, который сможет работать рядом с традиционным процессором или GPU.
90 нм вместо гонки за 3 нм
Главное преимущество подхода для российской микроэлектроники связано не столько с самой скоростью света, сколько с требованиями к производству.
Для ключевых элементов кремниевых фотонных схем, по оценке разработчиков, достаточно техпроцессов порядка 90–45 нм. Это существенно менее жесткие требования, чем у современных высокопроизводительных GPU, где используются значительно более передовые технологические нормы.
Причина заключается в физике фотонных устройств. В обычной электронике уменьшение размеров транзисторов непосредственно связано с возможностью разместить больше вычислительных элементов на кристалле. В фотонных схемах основную роль играют световые волноводы и другие оптические структуры, размеры которых определяются в том числе длиной волны света.
НИИМЭ ранее отмечал, что фотонные чипы могут использовать более зрелые технологические нормы, поскольку ширина кремниевых волноводов остается существенно больше размеров элементов современной передовой электроники. В качестве одного из ориентиров институт приводил норму 90 нм.
Это потенциально позволяет строить фотонную часть вычислителя на производственной базе, которая значительно доступнее самых современных литографических технологий.
При этом управляющую электронику можно производить отдельно. Затем электронный и фотонный кристаллы предполагается объединять в одной гибридной конструкции.
Оптика берет на себя математику, электроника остается рядом
Для работы полноценного фотонного ускорителя одного фотонного кристалла недостаточно.
В состав системы должны войти:
- фотонное матричное ядро;
- электронные контроллеры;
- память;
- источники света;
- преобразователи электрических и оптических сигналов;
- система корпусирования;
- средства тестирования;
- программный стек для работы вычислительного устройства.
Именно поэтому создание такого процессора нельзя свести к разработке одного нового чипа. Необходимо построить целую технологическую цепочку.
Особенно важен программный уровень. Нейросеть не сможет просто "переключиться" с GPU на фотонный процессор. Программному обеспечению потребуется определить, какие операции передаются оптическому ускорителю, как данные поступают на его вход, как преобразуется результат и какие операции после этого возвращаются электронной части.
Поэтому перспективная система скорее будет напоминать связку из нескольких специализированных вычислительных блоков.
Россия уже создает производственную базу
У фотонного направления есть еще одно преимущество – для него не обязательно сначала создавать полноценное производство процессоров по нормам 3–5 нм.
В Москве развивается специализированная инфраструктура для разработки и изготовления фотонных интегральных схем. В частности, ГК "Элемент" ранее заявляла о создании фаундри-центра кремниевой фотоники на базе "Микрона". Проект предполагал разработку и производство базовых элементов фотонных интегральных схем.
В публикации "Ведомостей" отмечалось, что российская производственная база в этой области может опираться на существующие технологии "Микрона", использующего техпроцессы 90–180 нм. Компания планировала развивать набор продуктов оптоэлектроники и интегральной фотоники.
Параллельно фотонные технологии развиваются в научных организациях. Исследования планарной фотоники, в том числе на основе нитрида кремния, ведутся в Институте нанотехнологий микроэлектроники РАН.
Отдельное направление связано с оборудованием. "Лазерный центр" совместно с Академическим университетом имени Алферова разработал установку безмасковой лазерной литографии, которую можно использовать для экспериментального и мелкосерийного производства фотонных устройств.
Таким образом, речь идет не только о концепции будущего процессора. В России постепенно формируются отдельные элементы производственной цепочки, хотя до полноценного массового выпуска фотонных вычислителей еще предстоит пройти несколько технологических этапов.
Сбер тоже переносит вычисления нейросетей на свет
Параллельное направление развивает Сбер. Его Центр квантовых технологий занимается оптическими вычислениями и фотонными сопроцессорами, причем в компании прямо рассматривают их применение для AI и задач оптимизации.
В частности, команда исследует, какие операции нейронных сетей целесообразно выполнять на фотонных устройствах, а какие эффективнее оставить классической электронике.
На практике это один из ключевых вопросов всей технологии. Теоретическое преимущество фотоники еще не означает автоматического ускорения любой нейросети. Реальная эффективность зависит от того, сколько времени и энергии потребуют преобразование электрического сигнала в оптический, передача данных, обратное преобразование и обмен с памятью.
Сбер уже ищет специалистов для разработки фотонных вычислителей, включая разработчиков электроники, интегральной фотоники и аппаратных решений.
Именно поэтому перспективной считается не полная замена электронной вычислительной техники, а совместная работа нескольких типов процессоров.
Десятикратная экономия энергии пока остается заявкой
Еще один аргумент в пользу фотонных вычислений – потенциальная энергоэффективность.
Разработчики подобных решений заявляют, что фотонные ускорители в отдельных задачах могут обеспечить более чем десятикратное преимущество по энергоэффективности по сравнению с традиционными GPU.
Однако этот показатель пока нельзя воспринимать как подтвержденную характеристику готового российского процессора. Как отмечают сами разработчики, оценки преимущественно получены на уровне текущих проектов и расчетов.
Для реального сравнения потребуется готовое устройство и одинаковая вычислительная задача. Необходимо будет учитывать не только работу самого фотонного ядра, но и энергозатраты памяти, лазеров, преобразователей, контроллеров, охлаждения и передачи данных.
Именно такой комплексный тест покажет, насколько заявленное преимущество сохраняется в полноценной системе.
До промышленного ускорителя еще несколько этапов
Разработчики рассчитывают в 2027 году сформулировать технические требования к фотонному вычислителю, который можно будет передать в производство.
Следующий этап намечен на 2028–2029 годы. На этом горизонте предполагается опытная эксплуатация полноценного вычислительного модуля и проверка его на реальных задачах.
Андрей Лапин, ТКС.РУ
Общение: 