LightIN: универсальная кремний-интегрированная фотонная ПЛК с интеллектуальной системой конфигурации для ИИ-кластеров следующего поколения

Почему чипы на свету важны для будущего ИИ

По мере того как системы искусственного интеллекта разворачиваются в масштабе целых дата-центров, электронное оборудование, которое их питает, достигает фундаментальных ограничений по скорости, энергоэффективности и пропускной способности связи. В этой статье представлен LightIN — новый тип светового, перепрограммируемого чипа, который подключается к ИИ-центрам подобно современным электронным ускорителям, но использует фотоны вместо электронов для передачи и обработки информации. Это позволяет ускорять ключевые задачи ИИ, экономить энергию и обеспечивать безопасную связь — всё на одном крошечном куске кремния.

Крошечный город управляемого света

В основе LightIN лежит кремниевый чип, спроектированный как двумерная сетка оптических волноводов и узлов. Эти узлы действуют как управляемые «светофоры» для света, выполненные на базе стандартной кремниевой фотоники, уже совместимой с современными фабриками чипов. Сетка содержит 40 программируемых ячеек и более 160 отдельных оптических компонентов, все они подключены к внешней плате управления. Вместо фиксированной функции эта сетка может быть перенастроена так, чтобы свет, входящий в чип, шел по разным путям и комбинировался по-разному, обеспечивая широкий спектр функций — от математических операций, используемых в нейронных сетях, до маршрутизации потоков данных и генерации уникальных цифровых отпечатков.

Интеллектуальная система настройки за сценой

Перенастройка такой плотной сети световых путей нетривиальна: крошечные вариации в изготовлении и температура легко нарушают работу. Чтобы справиться с этим, авторы разработали интеллектуальную программную систему под названием тестирование, компиляция и настройка (TCA). Сначала этап тестирования тщательно измеряет, как каждый небольшой оптический элемент реагирует на управляющие напряжения, формируя детальную таблицу соответствий. Затем этап компиляции выбирает подходящую компоновку внутри сетки для требуемой функции и переводит её в настройки фаз и напряжений. Наконец, этап настройки сравнивает реальные оптические выходы чипа с численными предсказаниями и тонко регулирует напряжения до совпадения. В совокупности эта система позволяет физическому оборудованию вести себя как гибкая «оптическая программируемая матрица вентилей», которую можно перенаправлять на самые разные задачи.

Математика и обучение со скоростью света

С помощью LightIN команда демонстрирует быстрые операции линейной алгебры, ключевой компонент современного ИИ. Они реализуют как почти безпотерьные преобразования (унитарные матрицы), так и более общие (неунитарные) в компактном форм-факторе. В тестах чип выполняет умножения матриц с эффективным разрешением около 5–6 бит и достигает скорости вычислений примерно 1,92 триллиона операций в секунду, потребляя при этом всего несколько пико джоулей на операцию умножения и суммирования. Они также реализовали простую нейронную сеть для классификации данных о цветах на чипе и добились точности, близкой к электронной версии, с общей задержкой обработки менее 260 пикосекунд — меньше времени, чем требуется свету, чтобы пройти несколько сантиметров волокна.

Поддержание оптических связей и корректная передача данных

Помимо вычислений, LightIN перенастраивается как инструмент для поддержания чистых высокоскоростных оптических каналов внутри ИИ-центров. Многие такие каналы используют микрокольцевые модуляторы — крошечные оптические резонаторы, которые наносят данные на свет, но смещаются с изменением температуры, ухудшая качество сигнала. Авторы настраивают чип как оптический «дифференциатор», который сравнивает слегка запаздывающие версии сигнала, чтобы определить, когда микрокольцо оптимально настроено. Контур управления автоматически регулирует маленький нагреватель на микрокольце, удерживая его в резонансе и поддерживая хорошее качество сигнала при скоростях от 5 до 32 гигабит в секунду, даже при изменениях температуры. В другом режиме та же перенастраиваемая сетка действует как 4×4 оптический переключатель, направляющий свет с любого входа на любой выход с малыми потерями и низкими перекрестными помехами в широком диапазоне длин волн — полезно для гибких высокоскоростных оптических сетей между серверами.

Встроенные оптические отпечатки для безопасности

LightIN также можно превратить в аппаратный элемент безопасности. Подавая свет с двух противоположных углов и программируя определённые узлы, чип генерирует выходные паттерны, которые чувствительны к крошечным неконтролируемым отличиям в производстве и к шуму окружающей среды. Эти шаблоны служат как физические неклонируемые функции: каждый чип реагирует уникальным и трудно воспроизводимым образом на заданный вызов. Авторы показывают, что их оптическая версия даёт ответы, которые сильно отличаются между чипами, статистически хорошо сбалансированы между нулями и единицами и воспроизводимы при стабильных условиях — свойства, необходимые для генерации безопасных ключей и аутентификации устройств в крупных ИИ-инсталляциях.

Что это значит для центров ИИ будущего

Работа демонстрирует, что один программируемый фотонный чип может ускорять вычисления ИИ, стабилизировать высокоскоростные оптические каналы, маршрутизировать данные и обеспечивать аппаратную безопасность — всё с использованием той же перенастраиваемой светопроводящей структуры. Хотя нынешний прототип невелик по размеру, авторы очерчивают понятные пути масштабирования сетки, снижения энергопотребления и более плотной интеграции управляющей электроники. Для неспециалистов главный вывод прост: световые перенастраиваемые чипы вроде LightIN могут стать ключевыми строительными блоками будущих ИИ-кластеров, помогая им вычислять быстрее, эффективнее обмениваться данными и защищать информацию, одновременно снижая нагрузку на энергопотребление и системы охлаждения.

Цитирование: 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

Ключевые слова: кремниевая фотоника, аппаратное обеспечение для ИИ, фотонные вычисления, оптические соединения, аппаратная безопасность