Подразделение X компании Alphabet (материнской компании Google) сообщило о разработке прорывного фотонного чипа для развёртывания интернет-сети по воздуху без проводов. Световые мосты устанавливаются на расстоянии 1 км друг от друга и обеспечивают скорость связи 10 Гбит/с. При удачном стечении обстоятельств это решение может вытеснить оптоволоконные каналы и даже спутниковый интернет Starlink. Будущее покажет.

Источник изображения: Google

Проект по созданию световых мостов носит название Taara, что на санскрите означает «звезда». Световой приёмопередатчик в рамках проекта Taara изначально был создан для проекта Google Loon — сети высотных дирижаблей, предназначенной для развёртывания интернет-сети в малонаселённых районах планеты. Однако проект Google Loon закрыли, а перспективные разработки нашли применение в новом проекте.

Идея использования мостов Taara заключается в том, что они могут стать дешёвой альтернативой оптоволоконным каналам. «Оптоволоконная связь — это золотой стандарт высокоскоростного подключения, но она часто оказывается слишком дорогой, непрактичной или географически недоступной», — пояснил старший менеджер проекта Taara Махеш Кришнасвами (Mahesh Krishnaswamy). Это решение сможет помочь тем, кто не имеет возможности проложить оптоволоконную линию, а также жителям густонаселённых районов, где Starlink менее эффективен.

Первое поколение мостов Taara имело размеры около 76 см и включало множество зеркал и приспособлений для калибровки. Эти «светофоры» могли передавать данные со скоростью 20 Гбит/с на расстоянии 20 км. Новое решение — это воплощение минимализма. Теперь приёмопередатчик Taara помещается на ногте — его размеры всего 13 мм. Скорость передачи снижена до 10 Гбит/с на расстоянии 1 км, но это компенсируется уменьшенными габаритами и значительно меньшей стоимостью таких мостов. Все системы калибровки теперь встроены в чип, который представляет собой практически готовое устройство, способное произвести революцию в сфере телекоммуникаций.

«Наша команда представляет себе будущее, в котором подключение не будет ограничено кабелями или высокой стоимостью, — продолжает Кришнасвами. — Резко сокращая размеры и сложность наших систем, мы стремимся в конечном итоге значительно снизить стоимость подключения, создавая в отрасли сетевой эффект».

К чести Taara, эта технология уже продемонстрировала свою эффективность в реальных условиях. «Световые мосты» Taara успешно применяются по всему миру: они обеспечивают связь на Карибских островах после обрыва кабелей, в городских центрах Индии, где пока нет поддержки 5G, и на множестве других объектов.

Следующим шагом в развитии Taara станет работа над новым дизайном чипа. Компания планирует увеличить дальность действия и пропускную способность устройства, создав его версию с тысячами излучателей.

Учёные из китайского университета Цинхуа разработали полностью аналоговый фотоэлектронный чип ACCEL, который обещает совершить революцию в задачах высокоскоростного машинного зрения. Чип, сочетающий электронные и оптические технологии, способен продемонстрировать беспрецедентную энергоэффективность и высочайшую скорость вычислений для задач машинного зрения. В этой сфере новый чип радикально превосходит современные графические процессоры.

Источник изображения: Pixabay

Традиционные процессоры обладают ограниченной скоростью вычислений и потребляют колоссальное количество энергии при решении задач машинного зрения, таких как распознавание изображений для автономного вождения, робототехники и медицинской диагностики. Эти задачи требуют обработки изображений с высоким разрешением, точной классификации и сверхнизкой задержки.

Чип ACCEL реализует преимущества развивающейся области фотонных вычислений, которые используют свет для обработки информации. Интегрируя дифракционные оптические аналоговые вычисления (OAC) и электронные аналоговые вычисления (EAC) в одном чипе, ACCEL достигает замечательной энергоэффективности и скорости вычислений.

Метод OAC использует управление световыми волнами посредством дифракции для кодирования и обработки информации. При помощи интерференционных паттернов, создаваемых светом, вычисления производятся аналоговым способом, обрабатывая данные непрерывно, а не дискретными цифровыми шагами. Метод EAC использует электронные компоненты для манипулирования непрерывными физическими величинами. Вместо работы с цифровыми сигналами в виде нулей и единиц, EAC использует постоянно меняющиеся аналоговые сигналы.

Архитектура ACCEL / Источник изображения: Tsinghua University

Оба метода дают преимущества для определённых видов вычислений и способствуют разработке задач высокоскоростного зрения.

ACCEL при обработке изображений не требует АЦП для преобразования изображения, напрямую используя для вычислений фототоки, индуцированные светом, что приводит к значительному сокращению задержек. ACCEL достигает системной энергоэффективности 74,8 пета-операций в секунду на ватт, что более чем на три порядка выше, чем у современных графических процессоров. Скорость вычислений достигает 4,6 пета-операций в секунду, при этом более 99 % вычислений выполняются оптически.

Благодаря интеграции оптоэлектронных вычислений и адаптивного обучения ACCEL достигает конкурентоспособной точности классификации объектов в различных задачах. Новый чип продемонстрировал точность 85,5 %, 82,0 % и 92,6 % для задач Fashion-MNIST, 3-классовой классификации ImageNet и задач распознавания покадрового видео соответственно. Примечательно, что ACCEL демонстрирует высокую надёжность даже в условиях низкой освещённости, что делает его пригодным для портативных устройств, автономного вождения и промышленных применения.

Сравнение скорости и энергоэффективности ACCEL с традиционными методами / Источник изображения: Tsinghua University

Сверхнизкое энергопотребление нового чипа значительно снижает тепловыделение, открывая путь дальнейшему совершенствованию и миниатюризации. В отличие от традиционных оптоэлектронных цифровых вычислительных систем, ACCEL гибко сочетает дифракционные оптические вычисления и электронные аналоговые вычисления, а его архитектура обеспечивает масштабируемость, нелинейность и высокую адаптируемость.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи заявили: «Разработка вычислительной системы, основанной на совершенно новом принципе, является огромной задачей. Однако ещё более важно успешно реализовать эту вычислительную архитектуру следующего поколения в реальные приложения, отвечающие важнейшим потребностям общества».

В рецензии на исследование, опубликованной в журнале Nature's Research Briefing, эксперты высказали убеждение, что «ACCEL может позволить этим архитектурам сыграть роль в нашей повседневной жизни гораздо раньше, чем ожидалось».

Всё новое — это, несомненно, хорошо забытое старое. Самым первым аналоговым вычислительным устройством является хорошо знакомая старшему поколению логарифмическая линейка.

Источник изображения: myruler.ru

Другим известным примером аналоговых вычислительных устройств является настольная аналоговая вычислительная машина МН-7, разработанная в далёком 1955 году. Она успешно решала обыкновенные дифференциальные уравнения до 6-го порядка. Не менее успешно при помощи подобных машин создавались математические модели физических процессов, что использовалось при решении задач АСУ ТП.

Источник изображения: computerra.ru

В аналоговой вычислительной машине (АВМ) мгновенному значению исходной переменной величины ставится в соответствие мгновенное значение другой величины, часто отличающейся от исходной физической природой и масштабным коэффициентом. Каждой элементарной математической операции, как правило, соответствует физический закон, устанавливающий математические зависимости между физическими величинами на выходе и входе (например, закон Ома).

Особенности представления исходных величин и построения алгоритмов предопределяют большую скорость работы АВМ и простоту программирования, но ограничивают область применения и точность получаемого результата. АВМ отличается малой универсальностью (алгоритмическая ограниченность) — при решении задач другого класса необходимо перестраивать структуру машины и число решающих элементов.

А теперь мы становимся свидетелями того, как в мире, казалось бы, победивших цифровых технологий, вновь начинают находить применение аналоговые вычисления, вышедшие на новый уровень развития.

Волновая природа света была доказана в знаменитом двухщелевом опыте Томаса Юнга ещё в 1801 году. Много позже учёные доказали, что при этом свету (фотонам) остаются присущи свойства элементарных частиц. Но Юнг первым показал, что в пространстве свет ведёт себя как волна. И только спустя 222 года физики смогли поставить эксперимент, который доказывает, что свет ведёт себя как частица и волна не только в пространстве, но и во времени.

Источник изображения: Imperial College London

Эксперимент был поставлен в Имперском колледже Лондона. В оригинальном опыте Юнга свет пропускался через две расположенные рядом узкие щели. На экране за щелями возникал целый ряд штрихов, что объясняется волновыми свойствами света — волны из двух щелей взаимодействовали друг с другом и либо усиливали друг друга, либо гасили с разной степенью интенсивности. Тем самым волновая природа света была доказана при распространении волн в пространстве.

С оценкой волновых свойств света во времени всё было намного сложнее. Скорость света слишком большая для эксперимента. Этим даже обычно пренебрегали при расчётах. За правило бралось, что свет во времени ведёт себя как частица. Группе физиков удалось воссоздать двухщелевой эксперимент, который доказал волновую природу света во времени.

В новом опыте две щели были сделаны из такого материала, как 40-нм плёнка из оксида индия-олова (популярный материал для изготовления дисплеев для смартфонов, например). Плёнка была нанесена на стеклянную подложку, покрытую 100-нм слоем золота. Предложенная «щель» играла роль зеркала, меняющего отражающие свойства с 8 % до 60 % по сигналу (после подачи импульса накачки).

Скорость переключения зеркал-щелей оказалась феноменальной — считаные фемтосекунды. Процессы интерференции света оказалось возможным наблюдать во времени — волны взаимодействовали после прохождения щелей и усиливали либо гасили друг друга, но только это происходило не с разложением в пространстве, а на шкале времени. Щели действовали как затворы в фотоаппарате, срабатывая с такой скоростью, что каждый раз через них проникала лишь часть волны. Подобное, например, позволит измерять свойства света за один период волны.

Поставленный эксперимент открывает путь к новой спектроскопии. Это пригодится при изучении астрофизических явлений, к примеру, чёрных дыр. Также временная интерференция света — это новые возможности в области квантовых вычислений и даже в области обычной фотоники — в оптических интерфейсах или процессорах. А есть ещё темпоральные или временные кристаллы и много неизученных областей, где к новым открытиям пока даже не знают, как подступиться.