利用光電子技術(shù)降低人工智能和數(shù)據(jù)中心的能源成本

逍遙設(shè)計(jì)自動(dòng)化

引言隨著人工智能（AI）持續(xù)革新生活的各個(gè)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(shù)如何幫助緩解AI和數(shù)據(jù)中心日益增長(zhǎng)的能源危機(jī)，重點(diǎn)關(guān)注三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：光子處理器、光開(kāi)關(guān)和光存儲(chǔ)[1]。
日益增長(zhǎng)的能源挑戰(zhàn)
* `9 x3 V7 }( f; E8 T/ Y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(guó)際能源署的數(shù)據(jù)，一次ChatGPT查詢消耗約2.9瓦時(shí)的電力，幾乎是傳統(tǒng)谷歌搜索的十倍。預(yù)計(jì)到本十年末，AI數(shù)據(jù)中心可能消耗美國(guó)20%到25%的電力需求，而目前這一比例為4%。

圖1：數(shù)據(jù)中心的服務(wù)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(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，研究人員正轉(zhuǎn)向基于光電子技術(shù)的解決方案，這些方案有望提供更高的效率和更低的能耗。

光電子處理器：用光進(jìn)行計(jì)算
光電子處理器使用光而不是電進(jìn)行計(jì)算，相比傳統(tǒng)電子處理器具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

更高的信息承載帶寬

傳輸高頻數(shù)據(jù)時(shí)對(duì)噪聲的敏感度更低

有潛力實(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算速度和更低的能耗
( Z3 U5 E  |! F% N: Z9 a[/ol]
來(lái)自巴伊蘭大學(xué)的Zeev Zalevsky等研究人員正在開(kāi)發(fā)可以與光通信系統(tǒng)集成的獨(dú)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(luò)計(jì)算所需的加權(quán)求和。

7 m# ], h* H" n$ w& |4 g' q  ?圖2：光電子處理器[2]。
7 Y1 x/ Z: w! N4 G6 S$ e8 {光電子處理器的主要優(yōu)勢(shì)包括：

更快的計(jì)算速度

更低的能耗

通過(guò)增加更多光纖核心實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性
6 C& C0 s6 Z- ?1 }2 f雖然光電子處理器顯示出巨大潛力，但將其與現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)對(duì)接仍面臨挑戰(zhàn)。
光開(kāi)關(guān)：提高數(shù)據(jù)中心效率光開(kāi)關(guān)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(luò)中實(shí)施光線路開(kāi)關(guān)來(lái)替代電子開(kāi)關(guān)。

圖3：將光學(xué)與微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）相結(jié)合可能實(shí)現(xiàn)能夠使用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施生產(chǎn)的節(jié)能微芯片。圖片來(lái)源：悉尼大學(xué)
光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）開(kāi)關(guān)使用微鏡陣列重定向光束，實(shí)現(xiàn)高效的數(shù)據(jù)路由。例如，谷歌的Palomar單元使用136個(gè)可單獨(dú)控制的微鏡來(lái)路由光信號(hào)，僅消耗108瓦的功率，而標(biāo)準(zhǔn)電子開(kāi)關(guān)消耗3,000瓦。
研究人員正在進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)：

將光學(xué)和MEMS技術(shù)集成到光電子集成芯片（PIC）中

開(kāi)發(fā)無(wú)需持續(xù)供電即可保持連接的開(kāi)關(guān)

提高光開(kāi)關(guān)的可靠性和可擴(kuò)展性
- f1 Y8 U5 u/ h/ C/ a光存儲(chǔ)：大數(shù)據(jù)的長(zhǎng)期解決方案隨著AI數(shù)據(jù)集持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)高效、長(zhǎng)期數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的需求變得越來(lái)越關(guān)鍵。光存儲(chǔ)技術(shù)為管理PB級(jí)和EB級(jí)數(shù)據(jù)提供了有前途的解決方案。
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光存儲(chǔ)技術(shù)的主要發(fā)展包括：

5D光存儲(chǔ)：南安普頓大學(xué)的研究人員展示了一種技術(shù)，通過(guò)光物理修改二氧化硅玻璃，創(chuàng)建用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的納米結(jié)構(gòu)。這種方法允許在單個(gè)磁盤內(nèi)實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

3D高密度存儲(chǔ)：上�？萍即髮W(xué)的一個(gè)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了具有PB容量的3D版本，使用雙數(shù)據(jù)寫(xiě)入激光和新型光敏材料。
/ Z! O  E; r0 V) @5 u0 T[/ol]這些光存儲(chǔ)技術(shù)具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：

比傳統(tǒng)硬盤和磁帶壽命更長(zhǎng)

更高的存儲(chǔ)密度

有潛力實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的長(zhǎng)期數(shù)據(jù)管理
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1 }$ S( j; C7 ?. a( \& A/ t圖4：5D光學(xué)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)盤
. f: U+ ~: o  X7 P& U挑戰(zhàn)和未來(lái)方向光電子技術(shù)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(gè)挑戰(zhàn)：將光電子處理器與現(xiàn)有系統(tǒng)對(duì)接提高光開(kāi)關(guān)的可靠性和可擴(kuò)展性開(kāi)發(fā)光存儲(chǔ)介質(zhì)的成本效益生產(chǎn)工藝[/ol]
隨著研究的進(jìn)展，我們可以預(yù)期這些技術(shù)在數(shù)據(jù)中心和AI基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用將更加廣泛。
結(jié)論AI的快速增長(zhǎng)及其相關(guān)的能源需求為科技行業(yè)帶來(lái)了重大挑戰(zhàn)。然而，基于光電子技術(shù)的解決方案為更可持續(xù)和高效的數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)提供了途徑。通過(guò)利用光進(jìn)行計(jì)算、數(shù)據(jù)路由和存儲(chǔ)，我們可以努力減少不斷擴(kuò)展的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)環(huán)境的影響。
! M$ G# l- W, F& ]" o8 E5 F隨著這些技術(shù)不斷成熟，可以期待一個(gè)AI和數(shù)據(jù)中心以顯著降低的能源足跡運(yùn)營(yíng)的未來(lái)，為更可持續(xù)的數(shù)字增長(zhǎng)奠定基礎(chǔ)。
參考文獻(xiàn)[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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