Соревнование в области космических вычислений превратилось в настоящую гонку вооружений.
По оценке Илона Маска, к 2032 году спутники с ИИ на солнечной энергии станут самой экономически выгодной вычислительной платформой в мире.
Заявление генерального директора NVIDIA Дженсена Хуанга в марте этого года также определило характер этой гонки — там, где генерируются данные, должен присутствовать интеллект.
После активных действий двух гигантов поле битвы за космические вычисления поднялось на беспрецедентную высоту, но инженерные задачи, стоящие перед космическими вычислениями, по-прежнему намного сложнее, чем на Земле.
Отсутствие конвекции воздуха не позволяет чипам рассеивать тепло; в космосе присутствуют высокоэнергетические частицы, которые в любой момент могут вызвать сбой в работе чипа...
△ Вычислительные спутники внутри и за пределами Китая (сгенерировано с помощью ИИ)
Со стороны Маска также просочилась новая информация — его компания SpaceX рассматривает возможность приобретения компании по производству оптических модулей Mesh.
Основным направлением деятельности Mesh, привлекшей внимание Маска, является серийное производство оптических трансиверов для повышения эффективности коммуникаций в центрах обработки данных ИИ и, как следствие, улучшения качества и производительности.
Почему оптические вычисления изначально подходят для космоса
В гонке за космические вычисления чипы сталкиваются с гораздо более серьезными вызовами, чем на Земле. Вычислительные нагрузки должны преодолеть три основных барьера — радиация, отвод тепла и энергопотребление.
Традиционные электронные чипы зависят от хранения заряда и работы кремниевых транзисторов, в то время как космос наполнен высокоэнергетическими частицами.
Попадание высокоэнергетической частицы в чип может вызвать такие эффекты, как одиночный сбой (single-event upset, SEU) или одиночная защелка (single-event latch-up, SEL), что приведет к вычислительным ошибкам или даже выходу устройства из строя.
Оптические вычислительные чипы принципиально обходят этот барьер.
В оптических вычислениях фотоны используются в качестве носителей информации. Поскольку фотоны не имеют заряда, они по своей природе защищены от прямого воздействия высокоэнергетических частиц и не требуют специальной радиационной защиты.
Отвод тепла — второй, и, пожалуй, самый сложный барьер.
При работе традиционных электронных чипов передача электронов по проводникам и переключение транзисторов неизбежно генерируют тепло. Задачи ИИ предъявляют огромные требования к перемещению данных и вычислениям, что приводит к высокому энергопотреблению и тепловыделению электронных чипов.
Космос — это вакуум, где нет конвекции воздуха, и теплоотвод возможен только за счет теплопроводности и теплового излучения.
Строгие ограничения по теплоотводу могут легко привести к снижению частоты или даже отказу традиционных чипов.
Принцип работы оптических вычислительных чипов совершенно иной: вычисления выполняются за счет распространения света в волноводах, и этот процесс практически не генерирует тепло.
Третий барьер — энергопотребление.
Спутники на орбите в значительной степени зависят от солнечных батарей. Во время нахождения в тени они работают только от бортовых аккумуляторов, поэтому энергоснабжение крайне ограничено.
Чем выше энергопотребление чипов с высокой производительностью, тем больше площадь требуемых солнечных батарей, что увеличивает вес, объем спутника и стоимость его запуска.
data-check-id="662135">Статическое энергопотребление оптических вычислительных чипов теоретически стремится к нулю, что естественным образом соответствует жестким ограничениям по энергоресурсам спутников, преодолевая половину этого барьера.Устойчивость к радиации, низкое тепловыделение и низкое энергопотребление оптических вычислений являются в космической среде «убийственными преимуществами», помогающими напрямую преодолеть технические препятствия на начальном этапе космических вычислений.
Преодолев эти три барьера, оптические вычисления в космических условиях имеют еще одно системное преимущество, недостижимое для электрических вычислений —
при одинаковой массе полезной нагрузки оптические вычисления могут обеспечить больший общий объем вычислительной мощности.
Основным ограничением при переносе наземных центров обработки данных в космос является вес и объем полезной нагрузки.
Вся архитектура традиционных серверов предназначена для наземного использования. Чтобы поднять вычислительные мощности в космос, вычислительные чипы, память, ЦПУ, а также сопутствующие системы охлаждения, радиационная защита... каждый компонент занимает ценное пространство полезной нагрузки, оставляя мало места для собственно вычислений.
Подход NVIDIA заключается в интеграции ЦПУ и ГПУ в одном модуле, обеспечивая относительно высокую производительность при минимальных размерах и весе. Модуль Space-1 Vera Rubin является продолжением этой концепции.
Но оптические вычисления могут зайти дальше.
Благодаря низкому тепловыделению и энергопотреблению оптических вычислительных чипов, необходимые сопутствующие системы охлаждения и энергоснабжения могут быть сделаны легче и меньше. В полезной нагрузке одинакового веса оптические вычисления могут вместить больше вычислительной мощности.
Таким образом, при одинаковом энергоснабжении и условиях теплоотвода оптические вычисления обеспечивают больший общий объем вычислительной мощности по сравнению с электрическими.
△ Три преимущества оптических вычислений в космической среде (сгенерировано с помощью ИИ)
По мнению Пу Хуанан, заместителя декана Научно-исследовательского института фотонных технологий, за этим преимуществом стоит глубокая внутренняя динамика.
Прогресс в производительности электрических вычислительных чипов долгое время зависел от миниатюризации техпроцесса — интеграции большего количества транзисторов на той же площади, повышения плотности вычислений за счет более тонких соединений.
Однако у этого пути есть физический предел. Когда расстояние между затворами транзисторов сокращается до определенного уровня, неизбежно возникает квантовый туннельный эффект.
Электроны проходят через теоретически непреодолимый барьер, вызывая утечку тока и вычислительные ошибки. Это потолок, который электрические вычисления не могут обойти на физическом уровне.
Оптические вычисления идут совершенно другим путем.
data-check-id="116602">Производство оптических вычислительных чипов не зависит от системы передовых технологических процессов, доминируемой литографами с экстремальным ультрафиолетовым излучением (EUV). Существующих процессов 45 нм и выше, вплоть до субмикронного уровня, достаточно для производства оптических вычислительных чипов.Повышение производительности оптических вычислений достигается за счет увеличения масштаба оптических вычислений и полного использования множественных измерений самого фотона, таких как длина волны, поляризация, оптические моды и т.д.
На этом пути тепловыделение и энергопотребление оптических вычислений остаются стабильными, затраты могут быть эффективно контролируемы, и потолок производительности еще далеко не достигнут.
Прорыв фотонов: от наземных вычислений к орбитальному выводу в космосе
Фотон — это основной носитель в оптических вычислениях.
Основная идея оптических вычислений заключается в использовании фотонов вместо электронов для выполнения самой важной части вычислений логического вывода ИИ, а именно — многочисленных матричных операций.
Преимущество оптических вычислительных чипов заключается в том, что за одно прохождение светового луча можно одновременно выполнить большое количество таких операций умножения, очень быстро и практически без выделения тепла.
Однако, если посмотреть на всю отрасль, большинство решений в области оптических вычислений по-прежнему отстают от электрических вычислений с точки зрения реальной возможности крупномасштабного, универсального и стабильного развертывания.
Наиболее заметными проблемами являются две:
Во-первых, память и вычисления по-прежнему разделены. При логическом выводе ИИ параметры модели необходимо часто перемещать из внешней памяти в вычислительные блоки, и пропускная способность памяти становится узким местом всей системы;
Во-вторых, сложности масштабируемой интеграции. Из-за физических ограничений кремниевой фотонной платформы по размерам чипов, деформациям и плотности соединений, традиционным решениям оптических вычислений нелегко наращивать вычислительную мощность.
Эти два порога означают, что оптические вычисления все еще находятся на некотором расстоянии от зрелой и полноценной вычислительной экосистемы, подобной электрическим чипам.
△ Архитектура фотонных вычислений в памяти от Light-based Technology Institute
△ Многослойная герметизированная стеклянная система оптических вычислений от Light-based Technology Institute
Но, по словам Пу Хуананя, на пути от Земли к космосу «оптическим вычислениям еще предстоит преодолеть барьер инженерной реализации».
Вибрации на этапе запуска ракеты чрезвычайно сильны. По сравнению с чисто электронными чипами, оптические структуры включают больше герметизации, и структурная стабильность чипа при интенсивных вибрациях сталкивается с дополнительными испытаниями.
После выхода на орбиту оптической вычислительной системе также необходимо пройти системную проверку энергоснабжения, теплового контроля и связи в реальных космических условиях.
Фотонные вычисления и фотонная связь — следующая карта в ире за космические вычисления
Этот путь похож на логику NVIDIA от одного GPU к кластерным решениям, но лежащие в основе технологические маршруты совершенно разные.
Если смотреть на всю отрасль бортовых вычислений, ее развитие все еще находится на самой ранней стадии, и до коммерческого развертывания в масштабе предстоит пройти долгий путь.
Технологическая проверка, интеграция систем, масштабное развертывание — на каждом этапе предстоит решить множество инженерных задач.
Ограниченность энергетических ресурсов бортовых платформ, циклы итерации космических чипов, низкая стоимость масштабного вывода на орбиту — все это барьеры, которые необходимо преодолеть, чтобы бортовые вычисления перешли от испытаний к коммерциализации.
Только когда совокупная стоимость бортовых вычислений станет ниже наземных вычислений, или когда бортовые сценарии смогут предоставлять высокоценные услуги, недоступные на Земле, у коммерческого распространения появится реальная движущая сила.
Гонка за космические вычисления только началась. Выбор того, какую технологическую траекторию выбрать для вычислительных чипов и систем, определит пределы возможностей будущих вычислительных созвездий.
Электрические вычисления постепенно упираются в потолок технологического процесса. Фотонные вычисления и фотонная связь, возможно, как раз и являются той ключевой картой в этой гонке, которая позволяет обойти физические ограничения и выйти на дифференцированный путь.
Статья из WeChat официального аккаунта: QbitAI , автор: Фокус на передовые технологии, оригинальное название: «Космические вычисления: китайский ответ — фотонные технологии эффективнее! Маск и Хуанг пошли не тем путем»
