LightIN: een veelzijdig silicium-geïntegreerd fotonisch veldprogrammeerbaar poort-array met een intelligent configuratiekader voor AI-clusters van de volgende generatie

Waarom lichtgevoede chips belangrijk zijn voor toekomstige AI

Naarmate kunstmatige-intelligentiesystemen opschalen tot het niveau van volledige datacenters, stuiten de elektronische hardware die ze aandrijft op fundamentele beperkingen in snelheid, energieverbruik en communicatiebandbreedte. Dit artikel introduceert LightIN, een nieuw type lichtgebaseerde, herprogrammeerbare chip die in AI-omgevingen kan worden ingezet zoals de huidige elektronische accelerators, maar photons in plaats van elektronen gebruikt om informatie te verplaatsen en te verwerken. Daarmee probeert het essentiële AI-taken te versnellen, energie te besparen en zelfs veilige communicatie af te handelen—alles op hetzelfde kleine stukje silicium.

Een kleine stad van geleid licht

In het hart van LightIN ligt een siliciumchip die is opgezet als een tweedimensionaal stadiachtergrond van optische golfführers en kruisingen. Deze kruisingen fungeren als bestuurbare "verkeerslichten" voor licht, opgebouwd uit standaard siliciumfotonicatechnologie die al compatibel is met de huidige chipfabrieken. Het raster bevat 40 programmeerbare cellen en meer dan 160 afzonderlijke optische componenten, allemaal aangesloten op een externe regelkaart. In plaats van in één vaste toepassing te worden verankerd, kan dit raster worden herprogrammeerd zodat binnenkomend licht verschillende paden en combinaties volgt, waardoor een breed scala aan functies mogelijk wordt—van rekenkundige bewerkingen die in neurale netwerken worden gebruikt tot het routeren van datastromen en het genereren van unieke digitale vingerafdrukken.

Een intelligent installatie­systeem achter de schermen

Het herconfigureren van zo’n dicht web van lichtpaden is niet triviaal; kleine variaties in fabricage en temperatuur kunnen de prestaties gemakkelijk verstoren. Om dit te beheersen, ontwierpen de auteurs een intelligent softwarekader genaamd testen, compilatie en aanpassing (TCA). Eerst meet de testfase zorgvuldig hoe elk klein optisch element reageert op stuurspanningen en bouwt daarbij een gedetailleerde lookup-tabel op. Vervolgens kiest de compilatiefase een geschikte layout binnen het raster voor een gewenste functie en vertaalt die naar fase-instellingen en spanningen. Ten slotte vergelijkt de aanpassingsfase de reële optische outputs van de chip met numerieke voorspellingen en verfijnt de spanningen totdat ze overeenkomen. Gezamenlijk laat dit kader de fysieke hardware zich gedragen als een flexibel “optisch veldprogrammeerbaar poort-array” dat op zeer verschillende taken kan worden gericht.

Rekenen en leren aan lichtsnelheid

Met LightIN demonstreert het team snelle lineaire algebra-operaties, een kerncomponent van moderne AI. Ze realiseren zowel verliesloze-achtige transformaties (unitaire matrices) als meer algemene transformaties (niet-unitaire matrices) in een compact formaat. In tests voert de chip matrixvermenigvuldigingen uit met een effectieve resolutie van ongeveer 5–6 bits en bereikt een rekensnelheid van ongeveer 1,92 biljoen operaties per seconde terwijl hij slechts een paar picojoule per multiply-and-accumulate verbruikt. Ze brengen ook een eenvoudig neuraal netwerk voor het classificeren van bloemgegevens op de chip onder en behalen nauwkeurigheid die dicht bij een elektronische versie ligt, met een totale verwerkingsvertraging van minder dan 260 picoseconden—minder tijd dan het licht nodig heeft om een paar centimeter glasvezel te doorkruisen.

Optische verbindingen op stemming houden en data op koers houden

Buiten rekenen kan LightIN worden herprogrammeerd als hulpmiddel voor het onderhouden van schone, hogesnelheids optische communicatieverbindingen binnen AI-centra. Veel van deze verbindingen gebruiken microringmodulatoren, kleine optische resonatoren die data op licht coderen maar door temperatuur kunnen verschuiven, waardoor signaalkwaliteit afneemt. De auteurs configureren de chip als een lichtgebaseerde "differentator" die lichtelijk vertraagde versies van het signaal vergelijkt om te detecteren wanneer de microring optimaal is afgestemd. Een regelkring past vervolgens automatisch een kleine verwarmer op de microring aan om deze vastgezet te houden, waardoor goede signaalkwaliteit wordt gehandhaafd bij datasnelheden van 5 tot 32 gigabit per seconde, zelfs bij temperatuurschommelingen. In een andere modus fungeert hetzelfde herconfigureerbare raster als een 4×4 optische schakelaar, die licht van elke ingang naar elke uitgang leidt met laag verlies en lage overspraak over een breed golflengtebereik—nuttig voor flexibele, hogebandbreedte optische netwerken tussen servers.

Ingebouwde optische vingerafdrukken voor beveiliging

LightIN kan ook worden omgezet in een hardwarebeveiligingselement. Door licht in te voeren bij twee tegenovergestelde hoeken en bepaalde kruisingen te programmeren, produceert de chip uitvoerpatronen die gevoelig afhangen van kleine, oncontroleerbare verschillen in fabricage en van omgevingsruis. Deze patronen dienen als fysieke onkloneerbare functies: elke chip reageert op een gegeven uitdaging op een unieke en moeilijk te kopiëren manier. De auteurs tonen aan dat hun optische versie reacties produceert die sterk van chip tot chip verschillen, statistisch goed in evenwicht zijn tussen nullen en enen, en herhaalbaar zijn onder stabiele omstandigheden—eigenschappen die nodig zijn voor het genereren van veilige sleutels en het authenticeren van apparaten in grote AI-installaties.

Wat dit betekent voor de AI-centra van morgen

Het werk toont aan dat een enkele programmeerbare fotonische chip AI-berekeningen kan versnellen, hogesnelheids optische verbindingen kan stabiliseren, data kan routeren en hardwareniveau-beveiliging kan bieden—allemaal met hetzelfde herconfigureerbare lichtgeleidingsweefsel. Hoewel de huidige prototype bescheiden van omvang is, schetsen de auteurs duidelijke paden om het raster op te schalen, het energieverbruik te verlagen en stuurelektronica nauwer te integreren. Voor niet-specialisten is de kernboodschap dat lichtgebaseerde, herprogrammeerbare chips zoals LightIN centrale bouwstenen van toekomstige AI-clusters zouden kunnen worden, die hen helpen sneller te rekenen, efficiënter te communiceren en data veilig te houden, terwijl ze de groeiende druk op stroomvoorziening en koeling verlichten.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: siliciumfotonica, AI-hardware, fotonisch rekenen, optische interconnects, hardwarebeveiliging