用多种颜色的光同时传输数据

纽约州纽约 – 2023 年 6 月 29 日 – 运行大型语言模型等人工智能程序的数据中心和高性能计算机不受其单个节点的强大计算能力的限制。 另一个问题是它们可以在节点之间传输的数据量，这是当前限制这些系统的性能和扩展的“带宽瓶颈”的根源。

这些系统中的节点可以相距超过1公里。 由于金属线在高速传输数据时会将电信号以热量的形式耗散，因此这些系统通过光纤电缆传输数据。 不幸的是，当信号从一个节点传输到下一个节点时，在将电数据转换为光数据（然后再转换回来）的过程中浪费了大量能量。

在 该研究今天发表在《自然光子学》杂志上和研究人员在 哥伦比亚工程公司 演示一种通过光纤电缆连接节点传输大量数据的节能方法。 这项新技术改进了之前通过同一根光缆同时传输多个信号的尝试。 新芯片不需要使用不同的激光器来产生每种波长的光，而是只需要一个激光器来产生数百种不同波长的光，这些光可以同时传输独立的数据流。

更简单、更节能的数据传输方式

毫米级系统使用一种称为波分复用 (WDM) 的技术和称为克尔频率梳的设备，在输入时采用一种颜色的光，并在输出时创建许多新颜色的光。 关键 Ker 频率梳由 迈克尔·利普森希金斯电气工程教授兼应用物理学教授 亚历山大捷达应用物理和材料科学教授兼电气工程教授 David M. Rickey 允许研究人员通过离散、精确的光波长（中间有空间）传输清晰的信号。

“我们意识到这些设备是光通信的理想来源，因为可以对每种颜色的光的独立信息通道进行编码，并通过单根光纤传播它们，”主要作者说。 凯伦伯格曼查尔斯·巴彻勒教授 电气工程 在哥伦比亚工程学院，她也是哥伦比亚工程学院的教务主任 哥伦比亚纳米计划。 这一突破可以让系统在不消耗更多电量的情况下传输更多的数据。

该团队将所有光子组件小型化到每个边缘大约几毫米长的切片上，以产生光，用电数据对其进行编码，然后在目标节点将光数据转换回电信号。 他们创建了一种新的光路架构，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传输的信号不会失真并且难以被接收器解释并转换回电子数据。

该研究的主要作者安东尼·里佐（Anthony Rizzo）说，他在伯格曼实验室攻读博士生时进行了这项工作，现在是美国空军研究实验室信息管理局的研究科学家。 “它也更便宜、更容易扩展，因为氮化硅梳状一代晶圆可以在用于制造微电子芯片的标准 CMOS 代工厂中制造，而不是在昂贵的定制 III-V 代工厂中制造。”

这些芯片的紧凑性使其能够与计算机电子芯片直接连接，从而大大降低了总体功耗，因为电数据信号只需传播几毫米的距离，而不是几十厘米。

Bergman 指出：“这项工作展示了一条显着降低系统功耗的可行途径，同时将计算能力提高几个数量级，从而使人工智能应用程序能够以指数级速度继续增长，同时对环境影响最小。”

令人兴奋的结果为现实世界的出版铺平了道路

在实验中，研究人员能够以每波长 16 Gbps 的速度传输 32 种不同波长的光，单光纤总带宽为 512 Gb/s，传输数据的误差小于万亿分之一。 这些都是令人难以置信的高水平的速度和效率。 传输数据的硅片尺寸仅为 4 毫米 x 1 毫米，而接收光信号并将其转换为电信号的硅片尺寸仅为 3 毫米 x 1 毫米，两者都比人类的指甲还小。

“虽然我们在原理验证演示中使用了 32 个波长通道，但我们的设计可以修改为容纳 100 多个通道，这在标准 Kerr 梳设计的范围内，”Rizzo 补充道。

这些芯片可以使用与普通消费笔记本电脑或手机中的微电子芯片相同的设施来制造，从而提供了规模扩展和实际部署的直接途径。

这项研究的下一步是将光子学与芯片级驱动和控制电子器件集成，以进一步小型化系统。