Скиданов отметил, что в проекте решили использовать новый диодный лазер вместо прежнего, поскольку он более компактный и обладает меньшей когерентностью. Благодаря диодному лазеру должны улучшиться характеристики процессора. Ожидается, что окончательная сборка и испытания процессора завершатся до конца 2024 года, что поможет определить, насколько эффективнее будет новый лазер по сравнению с предыдущим.
О проекте
Проект был создан в интересах реализации к 2030 году фотонной вычислительной машины класса Mega Science. Экспериментальный фотонный процессор создан специалистами Самарского университета имени Королёва в рамках научной программы Национального центра физики и математики (НЦФМ), реализуемой при поддержке госкорпорации «Росатом».
Фотонный процессор позволит:
- получить рекордную производительность машины: она достигнет 10 в 21 степени операций в секунду. Учёные смогут проводить анализ и распознавание объектов в сотни раз быстрее современных цифровых нейросетей на основе традиционных полупроводниковых компьютеров;
- решать прикладные задачи по обработке больших массивов данных и получать фундаментальные результаты в области ИИ и машинного обучения;
- распознавать огромные массивы данных в объёмных видеопотоках. Это очень важно для оперативного анализа гиперспектральных данных, изначально представляющих собой значительные по объему массивы информации.
- получать распознавание данных высокой надёжности: известно, что в ходе первых экспериментов на демонстрационном образце она составила 93,75%, и дальше она только вырастет.
Принципы работы и технические особенности фотонного процессора
Фотонный процессор работает на основе принципов оптики и квантовой механики. Вот основные принципы его работы:
Фотонный процессор использует фотоны (частицы света) для передачи и обработки информации. Фотоны движутся со скоростью света, что позволяет им обрабатывать данные значительно быстрее, чем традиционные электронные процессоры.
Фотонный процессор содержит различные оптические компоненты, такие как лазеры, оптические волокна, зеркала и линзы, которые используются для управления потоками фотонов.
Фотонный процессор использует квантовые эффекты, такие как интерференция и запутанность, для обработки информации. Эти эффекты позволяют обрабатывать информацию с высокой точностью и скоростью.
Фотонные процессоры содержат специальные логические элементы, которые позволяют обрабатывать информацию с помощью фотонов. Эти элементы могут быть применены для выполнения всевозможных логических операций.
Фотонный процессор использует фотонные переключатели для управления потоками фотонов. Эти переключатели могут быть использованы для создания сложных логических схем.
Фотонные процессоры содержат оптические волноводы, которые направляют фотоны внутри устройства. Эти волноводы могут быть изготовлены из различных веществ, таких как стекло или кремний.
Фотонные процессоры содержат оптические детекторы, которые преобразуют фотоны обратно в электрический сигнал. Эти детекторы играют важную роль в преобразовании оптических сигналов в электрические и наоборот.
Фотонные процессоры требуют специальных систем охлаждения, чтобы предотвратить перегрев и потерю производительности.
Фотонные процессоры должны иметь интерфейсы связи для взаимодействия с другими устройствами и системами.
Фотонные процессоры нуждаются в специальном программном обеспечении для управления и оптимизации их работы.
Эти принципы делают фотонный процессор уникальным устройством, способным обрабатывать огромные объемы данных с высокой скоростью и эффективностью.
Сравнение фотонного процессора с традиционными полупроводниковыми компьютерами
Фотонный процессор отличается от традиционных полупроводниковых компьютеров по нескольким ключевым параметрам:
- Скорость передачи данных: Фотонные процессоры могут передавать данные со скоростью света, что делает их намного быстрее электронных процессоров. В то время как скорость передачи данных в традиционных полупроводниковых компьютерах ограничена скоростью движения электронов через транзисторы.
- Плотность упаковки: Фотонные процессоры могут содержать больше логических элементов на той же площади, что и электронные процессоры, что увеличивает их вычислительную мощность.
- Энергоэффективность: Фотонные процессоры потребляют меньше энергии, чем электронные процессоры, поскольку они не требуют перемещения электронов через транзисторы.
- Масштабируемость: Фотонные процессоры могут быть масштабированы до больших размеров без потери производительности, что делает их идеальными для использования в суперкомпьютерах и других крупных вычислительных системах.
- Параллельная обработка: Фотонные процессоры способны обрабатывать несколько потоков данных одновременно, что повышает их общую производительность. Это может привести к улучшению производительности в многопоточных приложениях и многопроцессорных системах.
- Скорость переключения: Фотонные процессоры имеют очень высокую скорость переключения, что позволяет им обрабатывать большие объемы данных за короткое время.
- Сложность архитектуры: Фотонные процессоры обладают сложной архитектурой, которая может быть оптимизирована для выполнения определенных задач, что повышает их производительность.
В целом, фотонные процессоры обладают огромным потенциалом для повышения производительности вычислительных систем и могут стать ключевым элементом в развитии технологий будущего.
Идея создания
Идея создания фотонного компьютера возникла из стремления преодолеть ограничения традиционных электронных компьютеров, которые работают на основе движения электронов через транзисторы. Фотонные компьютеры используют фотоны (частицы света) для передачи и обработки информации, что позволяет им обрабатывать данные более оперативно, чем электронные компьютеры.
Сама идея фотонного компьютера была запатентована российскими учеными в 2018 году. Один из авторов проекта стал главный научный сотрудник Всероссийского НИИ экспериментальной физики Сергей Степаненко. Он рассказал ещё об одной особенности фотонного компьютера – это сокращение потребления энергии в 10 тыс. раз.
«Энергия экономится вследствие того, что вычислительные операции будут выполняться в результате взаимодействия лишь световых импульсов. В итоге предельно сокращается «общение» света с внешней средой», – объяснил ученый.
После получения патента на идею фотонного компьютера, реализация этого проекта началась с проведения исследований в сфере оптоэлектроники и квантовой механики. Российские ученые и инженеры начали работать над созданием компонентов и систем, необходимых для функционирования фотонного компьютера.
Это включает в себя разработку оптических компонентов, таких как лазеры, оптические волокна, зеркала и линзы, которые используются для управления потоками фотонов. Также были разработаны фотонные логические элементы, которые позволяют обрабатывать информацию с помощью фотонов.
Для создания прототипа фотонного компьютера потребовалось сотрудничество между различными научными и промышленными организациями, включая университеты, исследовательские институты и компании, которые делают акцент на выпуске электронных компонентов.
В результате этих усилий был создан экспериментальный фотонный процессор, который продемонстрировал потенциал фотонных технологий для обработки данных и ускорения вычислений. Этот процессор стал основой для дальнейших исследований в этой сфере.
Вклад в развитие искусственного интеллекта
Разработка фотонного процессора – это значительный шаг вперед в области вычислительной техники. Фотонные процессоры используют свет вместо электричества для передачи информации, что позволяет им работать гораздо продуктивнее традиционных электронных процессоров. Фотонные процессоры могут стать ключевым элементом в развитии суперкомпьютерных технологий, позволяя создавать более мощные и эффективные системы для решения самых сложных научных и инженерных задач.
Реализация данного проекта будет иметь огромный прорыв в области суперкомпьютеров, который позволит решать самые сложные научные задачи. К таким задачам относится моделирование климата, разработка новых материалов и многое другое.
Разработка фотонных процессоров – это глобальный тренд в мире технологий. Многие страны, включая США, Китай и Японию, также активно работают над созданием подобных устройств. Но Россия имеет все шансы стать одним из первых в этой области благодаря своим научным ресурсам и опыту в области физики и математики.