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.