利用光電子技術降低人工智能和數(shù)據(jù)中心的能源成本

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引言隨著人工智能（AI）持續(xù)革新生活的各個方面，數(shù)據(jù)中心的能源需求正在急劇增加。本文探討光電子技術如何幫助緩解AI和數(shù)據(jù)中心日益增長的能源危機，重點關注三個關鍵領域：光子處理器、光開關和光存儲[1]。
日益增長的能源挑戰(zhàn)
以ChatGPT為代表的生成式AI的興起，大幅增加了數(shù)據(jù)中心的能源需求。根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)，一次ChatGPT查詢消耗約2.9瓦時的電力，幾乎是傳統(tǒng)谷歌搜索的十倍。預計到本十年末，AI數(shù)據(jù)中心可能消耗美國20%到25%的電力需求，而目前這一比例為4%。

+ C2 Q4 _1 G. T; h, s圖1：數(shù)據(jù)中心的服務器。
能源消耗的激增不僅影響電力使用，還影響用于冷卻的水資源消耗。為應對這些挑戰(zhàn)，研究人員正轉向基于光電子技術的解決方案，這些方案有望提供更高的效率和更低的能耗。
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光電子處理器：用光進行計算
1 _$ v1 L; }: t* P5 ~光電子處理器使用光而不是電進行計算，相比傳統(tǒng)電子處理器具有幾個優(yōu)勢：

更高的信息承載帶寬

傳輸高頻數(shù)據(jù)時對噪聲的敏感度更低

有潛力實現(xiàn)更快的計算速度和更低的能耗
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0 ^! ^  |: ?9 X' U) y來自巴伊蘭大學的Zeev Zalevsky等研究人員正在開發(fā)可以與光通信系統(tǒng)集成的獨立光電子處理器。這些處理器使用多核光纖，其中光在核心之間交換，以執(zhí)行神經(jīng)網(wǎng)絡計算所需的加權求和。

圖2：光電子處理器[2]。
光電子處理器的主要優(yōu)勢包括：

更快的計算速度

更低的能耗

通過增加更多光纖核心實現(xiàn)可擴展性
# _3 l8 ?7 A0 N雖然光電子處理器顯示出巨大潛力，但將其與現(xiàn)實世界系統(tǒng)對接仍面臨挑戰(zhàn)。
* x+ ]1 G5 }$ ?光開關：提高數(shù)據(jù)中心效率光開關為降低數(shù)據(jù)中心能耗提供了另一種途徑。谷歌等公司已經(jīng)在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡中實施光線路開關來替代電子開關。

) X* c3 ~/ i3 m8 ^! B9 p! p- U4 q; m圖3：將光學與微機電系統(tǒng)（MEMS）相結合可能實現(xiàn)能夠使用現(xiàn)有基礎設施生產(chǎn)的節(jié)能微芯片。圖片來源：悉尼大學
6 D4 C% x+ h6 D. G) I! T& b% j2 O9 c* Q光學微機電系統(tǒng)（MEMS）開關使用微鏡陣列重定向光束，實現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)路由。例如，谷歌的Palomar單元使用136個可單獨控制的微鏡來路由光信號，僅消耗108瓦的功率，而標準電子開關消耗3,000瓦。
研究人員正在進行進一步改進：

將光學和MEMS技術集成到光電子集成芯片（PIC）中

開發(fā)無需持續(xù)供電即可保持連接的開關

提高光開關的可靠性和可擴展性
光存儲：大數(shù)據(jù)的長期解決方案隨著AI數(shù)據(jù)集持續(xù)增長，對高效、長期數(shù)據(jù)存儲的需求變得越來越關鍵。光存儲技術為管理PB級和EB級數(shù)據(jù)提供了有前途的解決方案。
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光存儲技術的主要發(fā)展包括：

5D光存儲：南安普頓大學的研究人員展示了一種技術，通過光物理修改二氧化硅玻璃，創(chuàng)建用于數(shù)據(jù)存儲的納米結構。這種方法允許在單個磁盤內實現(xiàn)多維數(shù)據(jù)存儲。

3D高密度存儲：上�？萍即髮W的一個團隊開發(fā)了具有PB容量的3D版本，使用雙數(shù)據(jù)寫入激光和新型光敏材料。
[/ol]這些光存儲技術具有幾個優(yōu)勢：
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比傳統(tǒng)硬盤和磁帶壽命更長

更高的存儲密度

有潛力實現(xiàn)更節(jié)能的長期數(shù)據(jù)管理
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圖4：5D光學數(shù)據(jù)存儲盤
挑戰(zhàn)和未來方向光電子技術在降低AI和數(shù)據(jù)中心能源成本方面展現(xiàn)出巨大潛力，但仍然存在幾個挑戰(zhàn)：將光電子處理器與現(xiàn)有系統(tǒng)對接提高光開關的可靠性和可擴展性開發(fā)光存儲介質的成本效益生產(chǎn)工藝[/ol]
隨著研究的進展，我們可以預期這些技術在數(shù)據(jù)中心和AI基礎設施中的應用將更加廣泛。
結論AI的快速增長及其相關的能源需求為科技行業(yè)帶來了重大挑戰(zhàn)。然而，基于光電子技術的解決方案為更可持續(xù)和高效的數(shù)據(jù)處理和存儲提供了途徑。通過利用光進行計算、數(shù)據(jù)路由和存儲，我們可以努力減少不斷擴展的數(shù)字基礎設施對環(huán)境的影響。
隨著這些技術不斷成熟，可以期待一個AI和數(shù)據(jù)中心以顯著降低的能源足跡運營的未來，為更可持續(xù)的數(shù)字增長奠定基礎。
2 q8 F" d0 d* X參考文獻[1]SPIE, "Powering Down Data Center Energy Usage," Photonics Focus, Jul./Aug. 2024. [Online]. Available: https://spie.org/news/photonics-focus/julyaug-2024/powering-down-data-center-energy-usage?utm_campaign=linkedin&utm_medium=social_networking&utm_source=customer_centric_multi_product#_=_. [Accessed: Aug. 25, 2024].[2]W. Zhang, J. C. Lederman, T. F. de Lima, J. Zhang, S. Bilodeau, L. Hudson, A. Tait, B. J. Shastri, and P. R. Prucnal, “A system-on-chip microwave photonic processor solves dynamic RF interference in real time with picosecond latency,” Light: Science & Applications, vol. 13, no. 14, Jan. 2024.
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