在运行大语言模型等各种人工智能程序时，虽然数据中心和高性能计算机不受其单个节点计算能力的限制，但节点之间传输的数据量多少是当前限制这些系统性能和带宽传输的根源。因为系统中的有的节点相距一公里以上，而且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，所以人们通常采用光纤来传输数据。但由此带来的一个新问题是，当信号从一个节点发送到另一个节点时，电光信号之间的相互转换过程中也会有大量能量损耗。
基于此，美国哥伦比亚大学工程学院的研究团队结合波分复用技术和克尔频率梳设计了一种简单、节能的数据传输方法。相比于传统的同一光缆同时传输多个信号的方法，这种新技术无需使用不同的激光器来产生不同波长的光，而只需要一台激光器来产生数百个不同波长的光，它们可以同时传输独立的数据流。该成果以“Massively scalable Kerr comb-driven silicon photonic link”为题发表在Nature Photonics上(DOI: 10.1038/s41566-023-01244-7 )。
克尔频率梳可以利用微型谐振腔中的非线性光学克尔效应,将单一频率的激光转变为包含大量等间隔频率的宽带光频梳,在时域输出超短孤子脉冲序列。哥伦比亚大学工程学院电气工程系教授Keren Bergman表示，他们通过克尔频率梳可以对不同频率的光编码独立的信息通道，并通过单根光纤传输。这一突破可以使系统在不消耗更多能量的情况下传输更多的数据。
研究团队将所有的光学组件集成到毫米尺度的芯片上以产生光，并且利用电信号对其进行编码，然后在目标节点将光信号转换回电信号。他们设计了一种新颖的光路结构，能够对每个通道单独编码数据，同时对相邻通道的干扰最小。这意味着以不同波长的光发送的信号不会混淆，也不会让接收器难以解调。
该研究主要成员Anthony Rizzo表示，相比于其他的方法，他们所设计的结构更加紧凑。由此使得这种芯片能够直接与计算机电子芯片相连，电信号传输距离从几十厘米变成几毫米,大大降低了总能耗。而且基于氮化硅的频率梳可以在加工微电子芯片的标准 CMOS 代工厂中制造，无需在昂贵的专用 III-V 代工厂生产，因此成本更加低廉。
Bergman指出,该研究为大幅降低系统能耗的同时提高计算能力提供了一条可行的路径，有望使得人工智能应用程序能够以指数级速度继续增长。在实验中，研究人员成功以每秒 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。而且在一万亿传输比特的数据中，误差不到一比特。传输数据的硅芯片尺寸仅为 4 密码 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 1 mm，两者都比人类的指甲还小。
图 基于克尔频率梳驱动的硅光子链路的分类数据中心
“虽然我们在原理验证中使用了 32 个波长通道，但我们的架构可以扩展到容纳100多个通道，这完全在标准克尔频率梳设计的范围之内，”Rizzo 补充道。重要的是，这些芯片可以使用与制造标准消费笔记本电脑或手机中的微电子芯片相同的设备来制造，从而为体积扩展和实际部署提供了直接的途径。该团队极化下一步将光子学与芯片级驱动和控制电子器件集成，以进一步使系统小型化。
原标题：新型光子芯片突破高性能计算“带宽瓶颈”
