Fotonické procesory přinášejí revoluci do datových center tím, že zpracovávají data pomocí světla namísto elektronů. Stuttgardská firma Q.ANT uvedla na trh první komerční čipy, které výrazně urychlují trénování umělé inteligence (AI) a zároveň dramaticky snižují spotřebu energie.
Začala nová éra výpočetní techniky: fotonické počítače používají pro výpočty světlo (fotony) namísto elektrického proudu (elektronů). Tento koncept slibuje zásadní proměnu zpracování dat, zejména s ohledem na prudce rostoucí nároky umělé inteligence (AI). Odhaduje se, že spotřeba energie datových center, poháněná především AI, by se mohla do roku 2030 více než zčtyřnásobit. Fotonické čipy představují klíčové řešení, jak tuto spotřebu omezit a učinit datová centra udržitelnějšími.
Stuttgartská společnost Q.ANT v tomto směru dosáhla zásadního průlomu: její fotonický procesor je prvním komerčně dostupným čipem tohoto druhu a je na trhu již od konce roku 2024. Prvními zákazníky jsou výzkumné organizace, mimo jiné Leibnizovo výpočetní centrum v Bavorsku, které svůj fotonický počítač slavnostně uvedlo do provozu 22. července.
Německé firmy na světové špičce
Rychlost této nové technologie je téměř nepředstavitelná:
Procesor společnosti Q.ANT má být až 50krát rychlejší než běžné čipy – a zároveň spotřebovat 30krát méně energie – zejména při trénování neuronových sítí na jednom procesoru. Při nasazení ve velkém měřítku v serverech se očekává energetická úspora až stonásobná.
Americká firma Light Intelligence uvádí, že při určitých úlohách dosahuje její technologie více než 800násobného zrychlení. Společnost Light Matter, rovněž z USA, demonstrovala, že jejich fotonický procesor zvládne maticové násobení (128 × 128) – klíčovou operaci v oblasti AI – za pouhých 200 pikosekund (0,2 nanosekundy). To je přibližně 1 000krát rychleji než běžný grafický čip při stejné úloze.
Také v oblasti datového propojení, tzv. interconnectů, dosahují řešení založená na grafenu rychlostí 100 až 1 000krát vyšších než současné technologie. Light Matter zde uvádí přenosové rychlosti až 114 terabitů za sekundu – což odpovídá přenosu téměř 60 Blu-ray disků v jediném mrknutí oka.
Tržní potenciál fotonických počítačů je obrovský, protože výpočty rychlostí světla by se měly během příštích pěti let stát klíčovou součástí vysoce výkonných výpočetních center, zejména v oblasti umělé inteligence. Vývoj v této oblasti intenzivně podporuje řada firem:
- Q.ANT (Německo) – s komerčně dostupným procesorem založeným na lithium-niobátu
- Light Matter (USA) – s novým počítačem využívajícím světlo pro AI zátěže a vedoucí firmou v oblasti fotonických datových propojení
- Black Semiconductor (Německo) – vyvíjí optické čipy na bázi grafenu pro datová centra a buduje vlastní závod na výrobu grafenu v Německu
- Na vývoji fotonických čipů pracují také výzkumné instituce jako MIT
- Velcí výrobci čipů jako TSMC, Intel a Samsung zkoumají možnosti integrace grafenu do budoucích datových propojení (interconnectů).
Srovnání mezi světlem a elektřinou
Zásadní rozdíl mezi digitálními a optickými výpočetními jednotkami spočívá v médiu pro přenos a zpracování informací:
Elektronické (digitální) čipy…
- využívají elektrický proud (elektrony), který prochází tenkými kovovými vodiči, obvykle měděnými,
- pracují digitálně se dvěma stavy: 0 a 1,
- skládají se z nespočtu tranzistorů, které fungují jako spínače a řídí tok proudu.
Hlavní nevýhodou je, že proud způsobuje odpor a vzniká odpadní teplo, kvůli čemuž je nutné čipy chladit. Navíc se datový tok při každém spínání (například z 0 na 1) přerušuje, aby se mohly kondenzátory nabíjet nebo vybíjet, což omezuje rychlost. Výhodou elektronických čipů je naopak velmi vysoká přesnost, běžně až na 15–16 desetinných míst. Jejich výkonnost dosud rostla zejména díky miniaturizaci, ta však nyní naráží na fyzikální limity.
Fotonické (optické) čipy…
- využívají světlo (fotony), které se šíří téměř bez odporu,
- pracují analogově s plynulými signály a mnoha různými stavy.
Informace jsou kódovány přímo ve vlastnostech světla, jako je amplituda, fázový posun nebo polarizace, a zpracovávány prostřednictvím skládání světelných vln (interference). Jelikož světlo téměř nenaráží na odpor, nevzniká odpadní teplo, a není tedy potřeba chlazení. Díky tomu jsou fotonické čipy extrémně energeticky úsporné. Umožňují také paralelní zpracování dat – světlo lze různými způsoby modulovat a provádět více výpočtů najednou, například pomocí různých vlnových délek. Na rozdíl od elektroniky světlo nemusí „zastavovat“, aby nabíjelo nebo vybíjelo kondenzátory.
Rychlostí světla po datové dálnici
Historicky byly fotonické počítače méně přesné, avšak technologický pokrok — Q.ANT dosahuje přesnosti na čtyři desetinná místa, Light Matter téměř na sedm — je činí využitelnými pro mnoho aplikací. Navíc nejsou závislé na extrémní miniaturizaci jako elektronické čipy, a přesto mohou díky využití různých vlastností světla dosáhnout vysoké výpočetní hustoty.
Mnoho dat, se kterými AI pracuje — včetně obrazových a zvukových informací — má přirozeně analogový charakter. Fotonické čipy také pracují analogově, což eliminuje energeticky náročné převody do digitální podoby.
Nebo jinak řečeno: představte si fotonické počítače jako datovou dálnici. Zatímco běžné počítače se pohybují po rozbité štěrkové cestě, s dopravními zácpami a vysokou spotřebou paliva, světlo se pohybuje téměř bez odporu, plynule a bez nutnosti zastávek nebo „čerpacích stanic“.
Bez kolon to přece jen nepůjde. Jelikož úložiště dat a většina výpočetních systémů nadále fungují na elektrickém principu, vyžadují fotonické výpočetní jednotky převod elektrických signálů na optické a naopak. K tomu dochází symbolicky na nájezdech a sjezdech datové dálnice. Společnost Q.ANT to ale nevnímá jako zásadní problém, protože nejsou potřeba žádné mezipaměti – jinými slovy, tato datová dálnice nemá žádné „staveniště“ ani „odpočívadla“.
Z laboratoře do datového centra: stav vývoje a výhled do budoucna
Fotonické počítače se nacházejí v pokročilé fázi vývoje. Komerčně dostupný procesor společnosti Q.ANT představuje důležitý milník.
Q.ANT už provozuje pilotní výrobní linku ve Stuttgartu a společnost Black Semiconductor buduje v Německu vlastní závod na výrobu grafenu, který má být uveden do provozu v roce 2026. Firma Light Matter také již uvedla na trh nový světelný počítač.
Využití fotonických čipů bude zpočátku převážně hybridní
- Společnost Q.ANT zdůrazňuje kompatibilitu svých procesorů se stávajícím hardwarem a softwarem.
- Firma Light Matter integruje takzvaná fotonická „Tensor Cores“ s elektronickými čipy. Tensor Cores urychlují výpočet klíčových matematických operací – zatímco elektronické čipy zajišťují komunikaci a nelineární výpočty, výpočetně náročné lineární operace probíhají ve světelném (fotonickém) prostoru.
- Důležitou oblastí jsou také fotonická datová propojení, která mají v datových centrech nahradit měděné vodiče. Tento krok se považuje za první fázi plošného zavádění fotoniky.
- Pro obecné výpočetní úlohy, jako je provoz operačních systémů typu Linux nebo Windows, zatím fotonické čipy vhodné nejsou – mají problémy s logickými operacemi a neobsahují integrovaná paměťová řešení. Jsou proto ideální jako specializované výpočetní akcelerátory.
Pro běžného uživatele – například pro hraní her nebo domácí práci – pravděpodobně fotonické čipy v nejbližších letech hrát přímou roli nebudou. Naopak se očekává, že výpočetní výkon se bude stále více přesouvat do cloudu a domácí zařízení budou sloužit především jako přístupové body. Fotonické počítače zásadně promění výkonnost a energetickou efektivitu vysoce výkonných datových center, která budou tento vývoj zajišťovat.
–etg–
