Оптические вычисления — это технология, которая обходит ограничения классических компьютеров, работая не на электронах, а на свете. Они быстрые, экономные и умеют обрабатывать огромные объемы данных одновременно. Но долгое время их развитие упиралось в две вещи: размер матриц и скорость оптического «такта».

Ученые бились над этим, но дальше двигаться стало сложно. Тогда команда под руководством профессора Пэн Се из Шанхайского института оптики и профессора Гуанвэй Ху из Наньянского технологического университета (Сингапур) предложила радикально новое решение — увеличить не скорость, а параллелизм.

Результаты опубликованы в издании eLight.

Их система  «Liuxing-I» — это оптический чип, который работает сразу на сотне длин волн, как если бы вместо одной дороги построили сто полос. В основе — несколько ключевых элементов:

• Микрокомба — источник света, который генерирует множество «цветов» (длин волн) одновременно.
• Перепрограммируемый чип, способный выполнять разные вычисления.
• Система управления, которая синхронизирует все каналы без задержек.

Оптическая микрокомба — устройство, которое создает множество лазерных лучей с разными длинами волн (как зубцы расчески). Оно позволяет передавать данные параллельно без интерференции.

На частоте 50 ГГц система выдает 2560 TOPS  (триллионов операций в секунду) с энергоэффективностью 3.2 TOPS/Вт. Для сравнения, современные GPU достигают десятков TOPS, но тратят в разы больше энергии.

Проблемы, которые решили ученые:

• Перекрестные помехи — каналы «переговаривались» между собой. Физическая модель и алгоритм коррекции ошибок подняли точность до 90%.
• Ширина полосы — чип научили работать в диапазоне 40 нм, что делает его устойчивым к перепадам.

Мы превратили однополосную дорогу в стополосную, — говорит профессор Се. — Теперь пропускная способность ограничена не железом, а только светом.

Этот прорыв открывает путь к практическому применению оптических вычислений — от обработки изображений до ИИ.

Где это пригодится

• Искусственный интеллект — обучение нейросетей требует огромных матричных вычислений. Оптика сделает это в разы быстрее и дешевле.
• Медицина — мгновенный анализ томограмм или ДНК-последовательностей.
• Криптография — взлом шифров перебором ускорится на порядки, но и защиту можно будет строить на новых принципах.
• Автономные системы — дроны и роботы смогут обрабатывать данные с датчиков без задержек.

Главный вопрос — масштабируемость. Лабораторный прототип на 100 каналов — это прорыв, но для коммерции нужны тысячи. Также неясно, как система поведет себя в реальных условиях: температурные колебания, пыль, вибрации могут нарушить синхронизацию волн.

Ранее ученые разработали чип, который ускоряет обработку сигналов в 100 раз.