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科技日報記者?張夢然

在最新一期《自然·光子學(xué)》上，美國哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院研究人員展示了一種新型節(jié)能芯片，可通過連接節(jié)點的光纖電纜傳輸大量數(shù)據(jù)。該芯片不需要使用多個激光器來產(chǎn)生不同波長的光，而只需要一個激光器來產(chǎn)生數(shù)百個不同波長的光，這些光可同時傳輸獨立的數(shù)據(jù)流。

由克爾頻率梳驅(qū)動的光子集成鏈路。圖片來源：光波研究實驗室/哥倫比亞大學(xué)工程學(xué)院

運行大型語言模型等人工智能程序的數(shù)據(jù)中心和高性能計算機(jī)，它們在節(jié)點之間傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是造成當(dāng)前“帶寬瓶頸”的根源，其限制了這些系統(tǒng)的性能和擴(kuò)展。

這些系統(tǒng)中的節(jié)點可相距一公里以上。由于金屬線在高速傳輸數(shù)據(jù)時會將電信號以熱量的形式耗散，因此這些系統(tǒng)通過光纖電纜傳輸數(shù)據(jù)。不幸的是，當(dāng)信號從一個節(jié)點發(fā)送到另一個節(jié)點時，在將電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光數(shù)據(jù)（然后再轉(zhuǎn)換回來）的過程中浪費了大量能量。

新研發(fā)的毫米級系統(tǒng)采用了波分復(fù)用和克爾頻率梳設(shè)備，在輸入端接收單色光，并在輸出端產(chǎn)生許多新顏色的光。這些設(shè)備是光通信的理想來源，對每種顏色的光，人們可編碼獨立的信息通道，并通過單根光纖傳播它們。這一突破可讓系統(tǒng)在不消耗更多能源的情況下傳輸更多的數(shù)據(jù)。

團(tuán)隊設(shè)計了一種新穎的光子電路架構(gòu)，允許每個通道單獨編碼數(shù)據(jù)，同時對相鄰?fù)ǖ赖母蓴_最小。在實驗中，研究人員成功地以每秒16吉字節(jié)的速度傳輸32種不同波長的光，單光纖總帶寬為512吉字節(jié)/秒，傳輸1萬億比特數(shù)據(jù)中的錯誤率不到1比特——達(dá)到令人難以置信的高水平的速度和效率。傳輸數(shù)據(jù)的硅芯片尺寸僅為4毫米×1毫米，而接收光信號并將其轉(zhuǎn)換為電信號的芯片尺寸僅為3毫米×1毫米，兩者都比人類的指甲還小。

該成果展示了一條可行的途徑，既可大幅降低系統(tǒng)能耗，又能將計算能力提高幾個數(shù)量級，從而使人工智能應(yīng)用程序以指數(shù)級速度持續(xù)增長，并對環(huán)境影響最小。

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