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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(shù)如何幫助緩解AI和數(shù)據(jù)中心日益增長的能源危機(jī),重點(diǎn)關(guān)注三個關(guān)鍵領(lǐng)域:光子處理器、光開關(guān)和光存儲[1]。" j, m B( e3 P4 K2 w
日益增長的能源挑戰(zhàn)
- C& C1 J) }+ u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(yù)計(jì)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%。& P6 [0 O- | ~4 Z0 X ?
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8 R) g% _1 e$ x- A/ a圖1:數(shù)據(jù)中心的服務(wù)器。1 N/ R; J2 n$ a9 @
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。
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光電子處理器:用光進(jìn)行計(jì)算& a4 {6 y1 z) o0 _# X* Z' P
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(shí)現(xiàn)更快的計(jì)算速度和更低的能耗
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來自巴伊蘭大學(xué)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(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。8 |! z$ W) z- z# w0 K, T
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圖2:光電子處理器[2]。
7 k$ i4 S) j9 B4 e1 H! y光電子處理器的主要優(yōu)勢包括:更快的計(jì)算速度更低的能耗通過增加更多光纖核心實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展性
# u/ d& |1 ]3 |2 Z h$ c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)對接仍面臨挑戰(zhàn)。
% T4 C" E6 U+ c+ V3 `1 N3 D/ w3 ~! [光開關(guān):提高數(shù)據(jù)中心效率光開關(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)施光線路開關(guān)來替代電子開關(guān)。, C3 `* _: j# ~/ x# f
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1 X# r- ^/ V) s0 E; T8 o1 c$ ^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。圖片來源:悉尼大學(xué). q2 e$ P" x: t; r/ a1 `
光學(xué)微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)開關(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個可單獨(dú)控制的微鏡來路由光信號,僅消耗108瓦的功率,而標(biāo)準(zhǔn)電子開關(guān)消耗3,000瓦。5 ]# C9 y& Y/ N. ]3 o
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)中開發(fā)無需持續(xù)供電即可保持連接的開關(guān)提高光開關(guān)的可靠性和可擴(kuò)展性
8 s7 t+ _7 L. K1 ]% ^% X1 w/ T6 t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(guān)鍵。光存儲技術(shù)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(shù)的主要發(fā)展包括:5D光存儲:南安普頓大學(xué)的研究人員展示了一種技術(shù),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(jié)構(gòu)。這種方法允許在單個磁盤內(nèi)實(shí)現(xiàn)多維數(shù)據(jù)存儲。3D高密度存儲:上海科技大學(xué)的一個團(tuán)隊(duì)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。) T5 M% X0 W5 F$ [$ s& x% k
[/ol]這些光存儲技術(shù)具有幾個優(yōu)勢:
% ]/ ]9 I4 |+ Q3 V' ]" c比傳統(tǒng)硬盤和磁帶壽命更長更高的存儲密度有潛力實(shí)現(xiàn)更節(jié)能的長期數(shù)據(jù)管理3 ]+ B6 R, y- \( y& p2 t r
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圖4:5D光學(xué)數(shù)據(jù)存儲盤+ S, u) a& G: [$ m8 H
挑戰(zhàn)和未來方向光電子技術(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,但仍然存在幾個挑戰(zhàn):將光電子處理器與現(xiàn)有系統(tǒng)對接提高光開關(guān)的可靠性和可擴(kuò)展性開發(fā)光存儲介質(zhì)的成本效益生產(chǎn)工藝[/ol]2 f1 H) j# k G& s4 z$ V3 {
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。& L6 a# J u- k! A6 \6 p$ H0 q
結(jié)論AI的快速增長及其相關(guān)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(shù)的解決方案為更可持續(xù)和高效的數(shù)據(jù)處理和存儲提供了途徑。通過利用光進(jìn)行計(jì)算、數(shù)據(jù)路由和存儲,我們可以努力減少不斷擴(kuò)展的數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施對環(huán)境的影響。" ]; M* U. y6 D( F
隨著這些技術(shù)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(yùn)營的未來,為更可持續(xù)的數(shù)字增長奠定基礎(chǔ)。
1 O3 J& i5 L) c, @8 q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./ _# L6 }6 A# {
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深圳逍遙科技有限公司(Latitude Design Automation Inc.)是一家專注于半導(dǎo)體芯片設(shè)計(jì)自動化(EDA)的高科技軟件公司。我們自主開發(fā)特色工藝芯片設(shè)計(jì)和仿真軟件,提供成熟的設(shè)計(jì)解決方案如PIC Studio、MEMS Studio和Meta Studio,分別針對光電芯片、微機(jī)電系統(tǒng)、超透鏡的設(shè)計(jì)與仿真。我們提供特色工藝的半導(dǎo)體芯片集成電路版圖、IP和PDK工程服務(wù),廣泛服務(wù)于光通訊、光計(jì)算、光量子通信和微納光子器件領(lǐng)域的頭部客戶。逍遙科技與國內(nèi)外晶圓代工廠及硅光/MEMS中試線合作,推動特色工藝半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展,致力于為客戶提供前沿技術(shù)與服務(wù)。
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