运行人工智能程序(如大型语言模型)的数据中心和高性能计算机不受单个节点的计算能力的限制，但是存在的另一问题是它们可以在节点之间传输的数据量，这是当前限制这些系统的性能和扩展的“带宽瓶颈”的根源。这些系统中的节点之间可以相隔超过一公里以上。由于金属导线在高速传输数据时会将电信号以热量的形式耗散，因此这些系统通过光纤电缆传输数据。然而不幸的是，当信号从一个节点传输到另一个节点时，在将电信号转换为光信号(然后再转换回电信号)的过程中浪费了大量能量。哥伦比亚工程学院的研究人员展示了一种可以在连接节点的光纤电缆上传输更大数据量的高效方法。这项新技术改进了之前尝试在同一光纤电缆上同时传输多个信号的方法。新芯片不需要使用不同的激光器产生每个波长的光，而只需要一个激光器就能产生数百个独立波长的光，这些光可以同时传输独立的数据流，这项研究成果已经发表在《Nature Photonics》期刊上。
由克尔频率梳驱动的光子集成链路。图片来源：光波研究实验室/哥伦比亚工程学院
一种更简单、更高效的数据传输方法
该毫米级系统采用了一种称为波分复用(WDM)的技术和一种称为克尔频率梳的设备，可以将输入的单光色转化输出为多光色。由电气工程学兼应用物理学教授Michal Lipson和应用物理学和材料科学教授Alexander Gaeta共同开发的关键克尔频率梳使研究人员能够通过单独的精确波长的光发送清晰的信号，并在它们之间留出空间。该研究的资深作者、哥伦比亚大学工程学院电气工程学教授兼哥伦比亚纳米计划学术主任Keren Bergman说道。“我们意识到这些设备非常适合光通信领域，人们可以对每种颜色的光编码独立的信息通道，并通过单根光纤传播它们，”这一突破可以让系统在不消耗更多能源的情况下传输更多的数据。
放在一角硬币上的光子集成芯片。图片来源：光波研究实验室/哥伦比亚工程学院
该研究团队将所有光学元件小型化到每个边缘大约几毫米的芯片上以产生光，并用电信号对其进行编码，然后在目标节点将光数据转换回电信号。他们设计了一种新颖的光子电路架构，允许每个通道单独地编码数据，同时最小限度地干扰相邻通道。这意味着以每种颜色的光发送的信号不会变得混乱并且难以让接收器读取并转换回电子信号。该研究的主要作者、目前是美国空军研究实验室信息局的研究科学家Anthony Rizzo说：“通过这种方式，我们的方法比同类方法更加紧凑和节能，由于氮化硅梳状生成芯片可以在用于制造微电子芯片的标准 CMOS 代工厂中制造，而不是在昂贵的专用 III-V 代工厂中制造，因此这种方法也更便宜且更容易扩展。”这相工作是他在攻读博士学位期间进行了。
这些芯片的紧凑性使它们能够直接与计算机电子芯片连接，从而大大降低了总能耗，因为电信号只需要在几毫米的距离上传输，而不是几十厘米。Bergman指出：“这项工作展示了一条可行的途径，既可以大幅降低系统能耗，同时将计算能力提高几个数量级，从而使人工智能应用程序能够以指数级速度继续增长，同时对环境的影响最小。”
令人兴奋的结果为实际应用铺平了道路
在实验中，研究人员成功地以每秒16 GB的速度传输32种不同波长的光，单光纤总带宽为 512 Gb/s，传输的数据中只有不到一万亿分之一的误码率。这些速度和效率水平是令人难以置信的高，传输数据的硅芯片尺寸仅为 4mm x 1 mm，而接收光信号并将其转换为电信号的芯片尺寸仅为 3 mm x 1mm，两者都比人类的指甲还小。Rizzo 补充道:“虽然我们在原理验证演示中使用了32个波长通道，但是我们的架构可以扩展以容纳 100 多个通道，这完全在标准克尔梳设计的范围内”。这些芯片可以使用与制造标准消费者笔记本电脑或手机中的微电子芯片相同的设施来制造，从而为大规模扩展和实际应用提供了简单的途径。这项研究的下一步计划是将光子学与芯片级驱动和控制电子器件集成，以进一步小型化系统。
基于克尔频率梳驱动的硅光子链路的分离数据中心的图示。图片来源：光波研究实验室/哥伦比亚工程学院
