Světlo místo elektřiny: Nová éra počítačů už klepe na dveře

Čínští vědci přišli s revolučním způsobem, jak nahradit elektrické impulsy světlem. Jejich fotonické procesory by mohly být tisíckrát rychlejší než dnešní čipy.

Když světlo počítá rychleji než elektřina

Představte si počítač, který místo elektřiny používá světlo. Zní to jako sci-fi, ale čínští vědci z Univerzity Aalto a Čínské akademie věd právě publikovali v Nature Photonics průlomovou studii o fotonickém počítání. Vyvinuli technologii nazvanou POMMM (parallel optical matrix-matrix multiplication), která umožňuje jednomu světelnému zdroji provádět více operací současně.

Jde o zásadní posun. Zatímco tradiční počítače používají elektrické impulzy – tok elektronů skrz vodiče, fotonické počítače pracují s fotony, částicemi světla. Tyto světelné částice se pohybují mnohem rychleji než elektrony. Je to podobný rozdíl jako mezi optickými kabely a klasickým internetem.

Umělá inteligence na rychlosti světla

Nová technologie se zaměřuje na tensorové zpracování – způsob počítání, kdy se celé sady dat zpracovávají najednou místo po jednotlivých kusech. Čísla a hodnoty se ukládají v mnohorozměrných matematických strukturách. Právě tato metoda má obrovský potenciál pro aplikace umělé inteligence, zejména pro velké jazykové modely.

“Naše metoda provádí stejné operace jako dnešní GPU, například konvoluce a pozornostní vrstvy, ale dělá to vše rychlostí světla,” vysvětluje hlavní autor studie Yufeng Zhang. Optické zařízení dokázalo dokončit klíčové výpočty pro úlohu strojového učení za méně než půl nanosekundy při dosažení více než 92% přesnosti.

Od laboratoře do praxe

Fotonické počítání není úplně nový nápad. Myšlenka používat fotony místo elektronů pro zpracování informací je “další velkou věcí” už doslova desítky let. Ale rok 2025 se zdá jiný. Skutečné čipy se dodávají. Skutečné společnosti je nasazují. Skutečné benchmarky jsou překonávány.

Vědci z MIT a dalších institucí vyvinuli nový fotonický čip, který překonává dosavadní překážky. Předvedli plně integrovaný fotonický procesor, který dokáže provádět všechny klíčové výpočty hluboké neuronové sítě opticky na čipu. Na rozdíl od předchozích pokusů o fotonické počítání není jejich procesor pouze laboratorním prototypem; je to plně funkční systém schopný spouštět pokročilé modely neuronových sítí, které se dnes aktivně používají v produkci.

Výzvy a překážky

Přesto má fotonické počítání své mouchy. Ukládání optických dat je velkou výzvou. Vývoj optické paměti, včetně flip-flopů a zpožďovacích linek pro řízení časování světelných signálů, by mohl být převratný. Fotonickému počítání chybí funkční řešení paměti. Současné materiály s fázovou změnou vydrží pouze 10 000-100 000 zápisových cyklů, zatímco elektronická paměť vydrží kvadriliony cyklů. Tento základní problém s pamětí brání stavbě praktických plně optických počítačů.

Tržní projekce jsou optimistické, s prvními dodávkami optických procesorů očekávanými kolem let 2027-2028. Do roku 2034 odhaduje Yole Group, že bude v provozu téměř 1 milion jednotek, což odráží ohromující 101% složený roční růst.

Budoucnost je světlá

Podle Zhipei Suna, vedoucího Fotonické skupiny na Univerzitě Aalto, může nová metoda fungovat téměř na jakékoli optické platformě a jeho tým plánuje “integrovat tento výpočetní rámec přímo na fotonické čipy, což umožní světelným procesorům provádět složité úlohy AI s extrémně nízkou spotřebou energie”. Pokud metoda funguje, očekávají její nasazení pro integraci se stávajícím hardwarem a hlavními platformami do pěti let.

Přesunutím nejnáročnějších částí zpracování AI z energeticky náročných elektronických čipů na bleskově rychlé fotonické systémy by technologie jako OFE2 mohly zahájit novou éru AI v reálném čase s nízkou spotřebou energie. Světlo už není jen pro osvětlení – brzy by mohlo osvítit i cestu k rychlejším a úspornějším počítačům.