LightIN: מערך שערים אופטי תכנותי בשילוב סיליקון עם מסגרת הגדרות חכמה עבור אשכולות AI של הדור הבא

מדוע שבבים מונעי אור חשובים ל-AI של העתיד

כשמערכות בינה מלאכותית מתרחבות בקנה מידה של מרכזי נתונים שלמים, החומרה האלקטרונית שמפעילה אותן פוגשת מגבלות יסודיות במהירות, בצריכת אנרגיה ובפס רוחב התקשורת. מאמר זה מציג את LightIN, שבב תכנותי חדש המבוסס על אור שנכנס למרכזי AI בדומה למאיצים אלקטרוניים של היום, אך משתמש בפוטונים במקום באלקטרונים להעברת ועיבוד המידע. בכך הוא שואף להאיץ משימות מרכזיות של AI, לחסוך אנרגיה ואף לטפל בתקשורת מאובטחת — הכל על חתיכת סיליקון זעירה אחת.

עיר זעירה של אור מונחה

בלב LightIN נמצא שבב סיליקון שמסודר כמו רשת דו־ממדית של מדריכים אופטים ומפצלים. המפצלים הללו מתפקדים כ"רמזורים" ניתנים לשליטה עבור האור, מבוססים על טכנולוגיית פוטוניקה בסיליקון סטנדרטית שכבר תואמת למפעלי השבבים של היום. הרשת מכילה 40 תאים ניתנים לתכנות ומעל 160 רכיבים אופטיים בודדים, כולם מחוברים ללוח בקרה חיצוני. במקום להיות מקובעים למטרה אחת, ניתן לתכנת את הרשת מחדש כך שאור הנכנס לשבב יעבור במסלולים ובשילובים שונים, מה שמאפשר מגוון רחב של פונקציות — מפעולות מתמטיות המשמשות ברשתות עצביות ועד ניתוב זרמי נתונים ויצירת טביעות אצבע דיגיטליות ייחודיות.

מערכת התקנה חכמה ברקע

תכנות מחדש של רשת צפופה כזו של מסלולי אור אינו טריוויאלי; שינויים זעירים בייצור ובטמפרטורה עלולים לשבש בקלות את הביצועים. כדי להתמודד עם זה, החוקרים פיתחו מסגרת תוכנה חכמה שנקראת בדיקה, קומפילציה והתאמה (TCA). תחילה שלב הבדיקה מודד בקפידה כיצד כל אלמנט אופטי זעיר מגיב למתחי בקרת, ובונה טבלת עיון מפורטת. לאחר מכן שלב הקומפילציה בוחר פריסה מתאימה בתוך הרשת עבור פונקציה רצויה ומתרגם אותה להגדרות פאזה ומתח. לבסוף, שלב ההתאמה משווה את התפוקות האופטיות האמיתיות של השבב עם תחזיות נומריות ומעדן את המתח עד להתאמה. יחד, מסגרת זו מאפשרת לחומרה הפיזית להתנהג כמו "מערך שערים אופטי שדה־תכנותי" גמיש שניתן לכוונו למשימות שונות מאוד.

חשבון ולמידה במהירות האור

באמצעות LightIN הקבוצה מדגימה פעולות אלגברה ליניארית מהירות, מרכיב מרכזי של AI מודרני. הם מממשים גם טרנספורמציות דמויות־ללא־אובדן (מטריצות יחידתיות) וגם טרנספורמציות כלליות יותר (לא־יחידתיות) בטביעת רגל קומפקטית. במבחנים השבב מבצע כפל מטריצות ברזולוציות אפקטיביות של כ־5–6 ביט ומגיע לשיעור חישוב של בערך 1.92 טריליון פעולות בשנייה תוך צריכת רק כמה פיקו־ג'אולים לכל פעולת כפל־וסכימה. הם גם מיפו רשת עצבית פשוטה לסיווג נתוני פרחים על השבב והשיגו דיוק התואם בקירוב לגרסה אלקטרונית, עם עיכוב עיבוד כולל של פחות מ־260 פיקו־שניות — פחות זמן ממה שלוקח לאור לעבור כמה סנטימטרים של סיב אופטי.

שמירה על כוונון קישורים אופטיים ונתיביות נתונים

מעבר לחישוב, LightIN מתוכנת מחדש ככלי לתחזוק קישורים אופטיים מהירים ונקיים בתוך מרכזי AI. רבים מהקישורים הללו משתמשים במודולטורים טבעתיים זעירים (microring), שהם תהודות אופטיות שמטביעות נתונים על האור אך נמשכות עם שינויי טמפרטורה, מה שמדרדר את איכות האות. החוקרים מגדירים את השבב כ"מיישה" מבוסס אור שמשווה גרסאות מעט מושהות של האות כדי לחוש מתי הטבעת מסונכרנת בצורה מיטבית. לולאת בקרה מתאימה אז אוטומטית ממסר חימום קטן על הטבעת כדי לשמור על הכוונון, ומשמרת איכות אות טובה בקצבי נתונים מ־5 עד 32 ג'יגה־ביט לשנייה, גם כאשר הטמפרטורה משתנה. במצב אחר, אותה רשת תכנותית פועלת כמפסק אופטי 4×4, ומנווטת אור מכל כניסה לכל יציאה עם אובדן נמוך והצטלבות נמוכה על פני טווח אורכי גל רחב — שימושי לרשתות אופטיות גמישות ורוחב־פס גבוה בין שרתים.

טביעות אצבע אופטיות מובנות לאבטחה

ניתן גם להפוך את LightIN לרכיב אבטחת חומרה. על ידי הזנת אור בשני מפינות מנוגדות ותכנות צמתים מסוימים, השבב מייצר תבניות פלט התלוי ברגישות בהבדלים זעירים ובלתי־ניתנים לשליטה בתהליך הייצור וברעשי סביבה. תבניות אלה משמשות כפונקציות פיזיות בלתי־ניתנות לשכפול: כל שבב מגיב בצורה ייחודית וקשה להעתקה לאתגר נתון. החוקרים מראים שגרסתם האופטית מייצרת תגובות השונות במידה רבה בין שבבים, מאוזנות סטטיסטית בין אפסים ואחדים וחוזרות על עצמן בתנאים יציבים — תכונות הנדרשות ליצירת מפתחות מאובטחות ולאימות מכשירים באינטליגנציות מלאכותיות ענקיות.

מה זה אומר עבור מרכזי AI של המחר

העבודה מדגימה כי שבב פוטוני תכנותי יחיד יכול להאיץ חישובי AI, לייצב קישורים אופטיים מהירים, לנתב נתונים ולספק אבטחה ברמת חומרה — כל זאת באמצעות אותה בד פוטוני מדריך־אור תכנותי. אף על פי שהפרוטוטיפ הנוכחי צנוע בגודלו, המחברים מפרטים נתיבים ברורים להגדלת הרשת, להקטנת צריכת האנרגיה ולשילוב הדוק יותר של אלקטרוניקת הבקרה. עבור לא־מומחים, המסר המרכזי הוא ששבבים מבוססי אור ותכנותיים כמו LightIN עשויים להפוך לגושי בניין מרכזיים של אשכולות AI עתידיים, לסייע להם לחשב מהר יותר, לתקשר ביעילות רבה יותר ולשמור על בטיחות המידע — ובו בזמן להקל על הלחץ הגובר על צריכת חשמל וקירור.

ציטוט: 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

מילות מפתח: פוטוניקה בסיליקון, חומרה ל-AI, מיחשוב פוטוני, קישורי תקשורת אופטיים, אבטחת חומרה