No Instituto de Tecnologia de Karlsruhe (KIT), pesquisadores começaram a explorar uma abordagem diferente para computação de alto desempenho que utiliza luz para realizar determinadas operações. O sistema é baseado em um processador fotônico da empresa alemã Q.ANT. Ao contrário das CPUs e GPUs convencionais, que realizam cálculos utilizando corrente em transistores, o acelerador fotônico utiliza sinais de luz diretamente para processar dados, economizando tempo e reduzindo o consumo de energia.
Fonte da imagem: Cynthia Ruf / KIT
É importante ressaltar que o processador fotônico do Q.ANT e a plataforma construída em torno dele não eliminam as CPUs e GPUs tradicionais. Os desenvolvedores estão criando uma arquitetura híbrida na qual a CPU, a GPU e a NPU (Unidade de Processamento Nativo) fotônica executarão as operações para as quais cada processador é mais adequado.
Fisicamente, a computação ocorre da seguinte forma: os dados digitais são convertidos em parâmetros de sinal óptico (geralmente fase e amplitude), após o que a luz entra em um circuito fotônico integrado. Este utiliza guias de onda ópticos e interferômetros para controlar a amplitude e a fase das ondas de luz. À medida que as ondas viajam por diferentes caminhos ópticos, elas interferem umas com as outras, como ondulações em um lago, realizando as operações matemáticas desejadas. Esse princípio é particularmente adequado para cálculos matriciais, que são uma parte fundamental das redes neurais. O resultado é então convertido de volta em um sinal elétrico por fotodetectores.
A principal vantagem dessa arquitetura reside não tanto na velocidade de propagação da luz, mas na capacidade de realizar múltiplas operações simultaneamente. O circuito óptico pode converter um conjunto inteiro de sinais de uma só vez, com o cálculo ocorrendo diretamente à medida que a luz passa pelo chip fotônico. Isso reduz significativamente o número de operações de transferência de dados entre a memória e as unidades de computação — uma das principais fontes de consumo de energia em sistemas de IA modernos.
De acordo com a Q.ANT, para determinadas tarefas de inteligência artificial,Sua tecnologia fotônica é capaz de oferecer 30 vezes a eficiência energética da eletrônica CMOS convencional. No entanto, a eletricidade ainda é necessária para lasers, moduladores, fotodetectores e eletrônica de controle; portanto, não se trata de uma eliminação completa da eletricidade em favor da luz, mas sim de uma maneira mais eficiente de realizar certas operações.
Os pesquisadores do KIT pretendem testar a eficácia dessa tecnologia não apenas em condições de laboratório, mas também como parte de uma infraestrutura de computação real. Durante os experimentos, os cientistas determinarão quais tarefas são transferidas com mais eficiência para um acelerador fotônico e quais devem ser deixadas para processadores eletrônicos. Essa abordagem é particularmente interessante para inteligência artificial, onde o volume de cálculos matriciais está em constante crescimento e o consumo de energia dos data centers está se tornando um desafio significativo. No futuro, tais sistemas híbridos poderão combinar CPUs e GPUs tradicionais com aceleradores fotônicos e, posteriormente, quânticos, distribuindo os cálculos entre eles dependendo da natureza da tarefa específica.
Vale ressaltar que a implementação atual do processador fotônico realiza principalmente operações lineares, mas a empresa está caminhando para a criação de processadores com capacidade de transformar pulsos de luz de forma não linear, o que também é importante para o funcionamento de redes neurais.