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Os data centers e computadores de alto desempenho que executam programas de inteligência artificial, como grandes modelos de linguagem, não são limitados pelo poder computacional absoluto de seus nós individuais. É outro problema – a quantidade de dados que eles podem transferir entre os nós – que está por trás do “gargalo de largura de banda” que atualmente limita o desempenho e o dimensionamento desses sistemas.
Os nós nesses sistemas podem ser separados por mais de um quilômetro. Como os fios de metal dissipam sinais elétricos como calor ao transferir dados em alta velocidade, esses sistemas transferem dados por meio de cabos de fibra ótica. Infelizmente, muita energia é desperdiçada no processo de conversão de dados elétricos em dados ópticos (e vice-versa) à medida que os sinais são enviados de um nó para outro.
Em um estudo publicado hoje na Fotônica da Natureza, pesquisadores da Columbia Engineering demonstram um método eficiente em termos de energia para transferir grandes quantidades de dados pelos cabos de fibra ótica que conectam os nós. Essa nova tecnologia melhora as tentativas anteriores de transmitir vários sinais simultaneamente pelos mesmos cabos de fibra óptica. Em vez de usar um laser diferente para gerar cada comprimento de onda de luz, os novos chips requerem apenas um único laser para gerar centenas de comprimentos de onda distintos de luz que podem transferir simultaneamente fluxos independentes de dados.
Um método mais simples e com maior eficiência energética para transferência de dados
O sistema de escala milimétrica emprega uma técnica chamada multiplexação por divisão de comprimento de onda (WDM) e dispositivos chamados pentes de frequência Kerr que pegam uma única cor de luz na entrada e criam muitas novas cores de luz na saída. Os pentes críticos de frequência de Kerr desenvolvidos por Michal Lipson, professor de Engenharia Elétrica e Física Aplicada de Higgins, e Alexander Gaeta, professor de Física Aplicada e Ciência de Materiais e Professor de Engenharia Elétrica David M. Rickey, permitiram que os pesquisadores enviassem sinais claros através comprimentos de onda de luz separados e precisos, com espaço entre eles.
“Reconhecemos que esses dispositivos são fontes ideais para comunicações ópticas, onde é possível codificar canais de informação independentes em cada cor de luz e propagá-los por uma única fibra óptica”, diz o autor sênior Keren Bergman, Charles Batchelor Professor de Engenharia Elétrica na Columbia Engineering , onde também atua como diretora do corpo docente da Columbia Nano Initiative. Esse avanço pode permitir que os sistemas transfiram exponencialmente mais dados sem usar proporcionalmente mais energia.
A equipe miniaturizou todos os componentes ópticos em chips de aproximadamente alguns milímetros em cada borda para gerar luz, codificou-os com dados elétricos e depois converteu os dados ópticos de volta em um sinal elétrico no nó alvo. Eles desenvolveram uma nova arquitetura de circuito fotônico que permite que cada canal seja codificado individualmente com dados, tendo interferência mínima com os canais vizinhos. Isso significa que os sinais enviados em cada cor de luz não se tornam confusos e difíceis para o receptor interpretar e converter de volta em dados eletrônicos.
“Dessa forma, nossa abordagem é muito mais compacta e energeticamente eficiente do que abordagens comparáveis”, diz o principal autor do estudo, Anthony Rizzo, que conduziu este trabalho quando era estudante de doutorado no laboratório de Bergman e agora é pesquisador no US Air Diretoria de Informações do Laboratório de Pesquisa da Força. “Também é mais barato e fácil de escalar, pois os chips de geração de pente de nitreto de silício podem ser fabricados em fundições CMOS padrão usadas para fabricar chips microeletrônicos, em vez de caras fundições III-V dedicadas”.
A natureza compacta desses chips permite que eles interajam diretamente com chips eletrônicos de computador, reduzindo bastante o consumo total de energia, pois os sinais de dados elétricos precisam se propagar apenas em milímetros de distância, em vez de dezenas de centímetros.
Bergman observou: “O que este trabalho mostra é um caminho viável para reduzir drasticamente o consumo de energia do sistema e, ao mesmo tempo, aumentar o poder de computação em ordens de magnitude, permitindo que os aplicativos de inteligência artificial continuem a crescer a uma taxa exponencial com impacto ambiental mínimo”.
Resultados empolgantes abrem caminho para a implantação no mundo real
Em experimentos, os pesquisadores conseguiram transmitir 16 gigabits por segundo por comprimento de onda para 32 comprimentos de onda distintos de luz para uma largura de banda total de fibra única de 512 Gb/s com menos de um bit de erro em um trilhão de bits de dados transmitidos. Estes são níveis incrivelmente altos de velocidade e eficiência. O chip de silício que transmitia os dados media apenas 4 mm x 1 mm, enquanto o chip que recebia o sinal óptico e o convertia em um sinal elétrico media apenas 3 mm x 1 mm – ambos menores que uma unha humana.
“Embora tenhamos usado 32 canais de comprimento de onda na demonstração de prova de princípio, nossa arquitetura pode ser dimensionada para acomodar mais de 100 canais, o que está bem dentro do alcance dos designs de pente Kerr padrão”, acrescenta Rizzo.
Esses chips podem ser fabricados usando as mesmas instalações usadas para fabricar os chips microeletrônicos encontrados em um laptop ou celular padrão do consumidor, fornecendo um caminho direto para o dimensionamento de volume e implantação no mundo real.
O próximo passo nesta pesquisa é integrar a fotônica com a condução em escala de chip e a eletrônica de controle para miniaturizar ainda mais o sistema.
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