在最新一期《自然·光子學(xué)》上，美國(guó)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(guò)連接節(jié)點(diǎn)的光纖電纜傳輸大量數(shù)據(jù)。該芯片不需要使用多個(gè)激光器來(lái)產(chǎn)生不同波長(zhǎng)的光，而只需要一個(gè)激光器來(lái)產(chǎn)生數(shù)百個(gè)不同波長(zhǎng)的光，這些光可同時(shí)傳輸獨(dú)立的數(shù)據(jù)流。

運(yùn)行大型語(yǔ)言模型等人工智能程序的數(shù)據(jù)中心和高性能計(jì)算機(jī)，它們?cè)诠?jié)點(diǎn)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(diǎn)可相距一公里以上。由于金屬線在高速傳輸數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)將電信號(hào)以熱量的形式耗散，因此這些系統(tǒng)通過(guò)光纖電纜傳輸數(shù)據(jù)。不幸的是，當(dāng)信號(hào)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)時(shí)，在將電數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為光數(shù)據(jù)(然后再轉(zhuǎn)換回來(lái))的過(guò)程中浪費(fèi)了大量能量。

新研發(fā)的毫米級(jí)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(lái)源，對(duì)每種顏色的光，人們可編碼獨(dú)立的信息通道，并通過(guò)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(duì)設(shè)計(jì)了一種新穎的光子電路架構(gòu)，允許每個(gè)通道單獨(dú)編碼數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)相鄰?fù)ǖ赖母蓴_最小。在實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)的光，單光纖總帶寬為512吉字節(jié)/秒，傳輸1萬(wàn)億比特?cái)?shù)據(jù)中的錯(cuò)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(hào)并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的芯片尺寸僅為3毫米×1毫米，兩者都比人類(lèi)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(jì)算能力提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，從而使人工智能應(yīng)用程序以指數(shù)級(jí)速度持續(xù)增長(zhǎng)，并對(duì)環(huán)境影響最小。

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