LightIN: مصفوفة بوابات مبرمجة ميدانياً فوتونية مدمجة بالسيليكون متعددة الاستخدامات مع إطار تكوين ذكي لعناقيد الذكاء الاصطناعي من الجيل القادم

لماذا تهم الرقائق العاملة بالضوء لمستقبل الذكاء الاصطناعي

مع نمو أنظمة الذكاء الاصطناعي لتصل إلى حجم مراكز بيانات كاملة، تواجه الأجهزة الإلكترونية التي تشغلها حدوداً أساسية في السرعة واستهلاك الطاقة وعرض النطاق للتواصل. يقدم هذا البحث LightIN، نوعاً جديداً من الرقائق القابلة لإعادة البرمجة المعتمدة على الضوء والتي تُركّب في مراكز الذكاء الاصطناعي مثل مسرعات الإلكترونيات الحالية، لكنها تستخدم الفوتونات بدلاً من الإلكترونات لتحريك ومعالجة المعلومات. وبذلك تهدف إلى تسريع مهام أساسية في الذكاء الاصطناعي، وتوفير الطاقة، وحتى التعامل مع الاتصالات الآمنة — كل ذلك على قطعة صغيرة من السيليكون.

مدينة صغيرة من الضوء الموجّه

في قلب LightIN توجد رقاقة سيليكون مصممة كشبكة ثنائية البعد من الموجّهات البصرية والتقاطعات. تعمل هذه التقاطعات كـ "إشارات مرور" قابلة للتحكم للضوء، مبنية باستخدام تكنولوجيا فوتونيات السيليكون القياسية المتوافقة بالفعل مع مصانع الرقائق الحالية. تحتوي الشبكة على 40 خلية قابلة للبرمجة وأكثر من 160 مكوناً بصرياً منفصلاً، جميعها متصلة بلوحة تحكم خارجية. بدلاً من أن تكون مبرمجة لغرض واحد ثابت، يمكن إعادة برمجة هذه الشبكة بحيث يتبع الضوء الداخل إلى الشريحة مسارات وتركيبات مختلفة، مما يتيح نطاقاً واسعاً من الوظائف — من العمليات الحسابية المستخدمة في الشبكات العصبية إلى توجيه تدفقات البيانات وتوليد بصمات رقمية فريدة.

نظام إعداد ذكي خلف الكواليس

إعادة تكوين مثل هذا النسيج الكثيف من مسارات الضوء ليست أمراً بسيطاً؛ فالتغيّرات الصغيرة في التصنيع ودرجات الحرارة يمكن أن تُعطّل الأداء بسهولة. لإدارة ذلك، صمّم المؤلّفون إطار برمجي ذكي يُسمى الاختبار والتجميع والتعديل (TCA). أولاً، تقيس مرحلة الاختبار بعناية كيف يستجيب كل عنصر بصري صغير لجهود التحكم، وتبني جدول بحث تفصيلي. بعد ذلك، تختار مرحلة التجميع تخطيطاً مناسباً داخل الشبكة لوظيفة مرغوبة وتترجمه إلى إعدادات طور وجهود. أخيراً، تقارن مرحلة التعديل المخرجات البصرية الحقيقية للشريحة بالتنبؤات العددية وتضبط الجهود بدقة حتى تتطابق. معاً، يتيح هذا الإطار للعتاد الفيزيائي أن يتصرف كمصفوفة بوابات مبرمجة ميدانياً بصرية مرنة يمكن إعادة توجيهها لمهام مختلفة تماماً.

رياضيات وتعلّم بسرعة الضوء

باستخدام LightIN، يستعرض الفريق عمليات جبر خطّي سريعة، وهي مكوّن أساسي في الذكاء الاصطناعي الحديث. يحققون تحويلات تشبه عديمة الفقدان (مصفوفات وحدوية) وكذلك تحويلات أعمّ (مصفوفات غير وحدوية) في بصمة مدمجة. في الاختبارات، تنفّذ الشريحة ضربات مصفوفات بدقّة فعّالة تبلغ نحو 5–6 بت وتصل إلى معدل حسابي حوالي 1.92 تريليون عملية في الثانية بينما تستهلك فقط بضعة بيكو جول لكل عملية ضرب وجمع تراكمية. كما يقومون بنمذجة شبكة عصبية بسيطة لتصنيف بيانات الزهور على الشريحة ويحققون دقة تقارب النسخة الإلكترونية، مع زمن معالجة إجمالي أقل من 260 بيكوثانية — زمن أقل مما يستغرقه الضوء لعبور بضعة سنتيمترات من الألياف.

الحفاظ على توافق الروابط البصرية وسير البيانات

بعيداً عن الحوسبة، يُعاد برمجة LightIN كأداة لصيانة روابط الاتصال البصري عالية السرعة داخل مراكز الذكاء الاصطناعي. كثير من هذه الروابط تستخدم معدّلات حلقيّة دقيقة، وهي رنانات بصرية صغيرة تطبع البيانات على الضوء لكنها تنحرف مع تغير الحرارة، مما يضعف جودة الإشارة. يهيئ المؤلفون الشريحة كـ "ممايزة" بصرية تقارن نسخاً مؤخّرة قليلاً من الإشارة لتحسس متى تكون الحلقة الدقيقة مضبوطة بشكل أمثل. ثم يقوم حلقة تحكم تلقائية بضبط مسخّن صغير على الحلقة للحفاظ على تثبيت الضبط، محافظة على جودة الإشارة عبر معدلات بيانات من 5 إلى 32 غيغابت في الثانية حتى مع تغيّر درجات الحرارة. في وضع آخر، تعمل نفس الشبكة القابلة لإعادة التكوين كمفتاح بصري 4×4، توجّه الضوء من أي مدخل إلى أي مخرج بخسارة منخفضة وتداخل منخفض عبر نطاق طيفي واسع—وهو مفيد لشبكات بصرية مرنة وعالية النطاق بين الخوادم.

بصمات بصرية مدمجة للأمن

يمكن أيضاً تحويل LightIN إلى عنصر أمني في العتاد. عن طريق تغذية الضوء من زاويتين متقابلتين وبرمجة تقاطعات معينة، تنتج الشريحة أنماط إخراج تعتمد بحساسية على فروق صغيرة غير قابلة للتحكم في التصنيع وعلى الضوضاء البيئية. تعمل هذه الأنماط كدوال مادية غير قابلة للاستنساخ: تستجيب كل شريحة بطريقة فريدة وصعبة النسخ للتحدي المعطى. يظهر المؤلفون أن نسختهم البصرية تنتج استجابات تختلف اختلافاً كبيراً بين الشرائح، ومتوازنة إحصائياً بين الأصفار والآحاد، وقابلة للتكرار في ظروف مستقرة — وهي خصائص مطلوبة لتوليد مفاتيح آمنة وتوثيق الأجهزة في منشآت ذكاء اصطناعي كبيرة.

ما معناه ذلك لمراكز الذكاء الاصطناعي في الغد

يُظهر هذا العمل أن شريحة فوتونية واحدة قابلة للبرمجة يمكن أن تسرّع حسابات الذكاء الاصطناعي، وتثبّت روابط بصرية عالية السرعة، وتوجّه البيانات، وتوفّر أماناً على مستوى العتاد — كل ذلك باستخدام نفس نسيج توجيه الضوء القابل لإعادة التكوين. بينما النموذج الأولي الحالي متواضع الحجم، يوضح المؤلفون مسارات واضحة لتوسيع الشبكة، وخفض استهلاك الطاقة، ودمج إلكترونيات التحكم بشكل أوثق. للقراء غير المتخصصين، الرسالة الأساسية هي أن الرقائق القابلة لإعادة البرمجة المعتمدة على الضوء مثل LightIN قد تصبح لبنات بناء مركزية لعناقيد الذكاء الاصطناعي المستقبلية، تساعدها على الحساب أسرع، والتواصل بكفاءة أكبر، وحماية البيانات، كل ذلك مع تخفيف الضغط المتزايد على الطاقة والتبريد.

الاستشهاد: Zhu, Y., Liu, Y., Yang, X. et al. LightIN: a versatile silicon-integrated photonic field programmable gate array with an intelligent configuration framework for next-generation AI clusters. Light Sci Appl 15, 165 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02209-5

الكلمات المفتاحية: الفوتونيات على السيليكون, عتاد الذكاء الاصطناعي, الحوسبة الفوتونية, الربط البصري, أمن الأجهزة