null
Гонка за космическими вычислительными мощностями превратилась в настоящую гонку вооружений.
Маск считает, что к 2032 году спутники ИИ в космосе, работающие на солнечной энергии, станут самым экономически оптимальным решением вычислительных мощностей в мире.
Оценка генерального директора NVIDIA Хуан Жэньсюна, сделанная в марте этого года, в некоторой степени тоже определила характер этой гонки: где бы ни создавались генерируемые данные, там должно существовать разумное присутствие.
После того как две крупнейшие компании вступили в игру, поле битвы за космические вычислительные мощности поднялось на беспрецедентную высоту, но инженерные вызовы, с которыми сталкиваются космические вычисления, по-прежнему гораздо жестче, чем на земле.
Нет воздушной конвекции — чип не может достаточно охлаждаться; в космосе существуют высокоэнергетические частицы, которые в любой момент могут вызвать сбой чипа……
△Космические вычислительные спутники (сгенерировано с помощью ИИ)
С другой стороны, сообщается и о новых движениях Маска: его компания SpaceX рассматривает покупку компании Mesh, занимающейся оптическими модулями.
Mesh, который приглянулся Маску: основное направление — массовое серийное производство оптоэлектронных трансиверов для повышения эффективности связи ИИ-ЦОД, а значит — для улучшения качества и увеличения эффективности производства.
Почему оптические вычисления естественно подходят для космоса
В конкурсе «космических вычислений» задачи для чипов намного сложнее, чем на Земле: вычислительной нагрузке нужно преодолеть три «порога» — радиацию, охлаждение и энергопотребление.
Традиционные электронные чипы опираются на хранение заряда и работу кремниевых транзисторов; а в космосе полно множества высокоэнергетических частиц из космоса.
Как только высокоэнергетическая частица ударит по чипу, это вызовет эффекты вроде «переворота» от одиночной частицы и «заклинивания» одиночной частицы, приводя к ошибкам вычислений и даже отказу устройства.
Чипы для оптических вычислений по сути обходят этот «порог» с корня.
Оптические вычисления несут вычислительную информацию, используя фотоны как носитель: у самих фотонов нет заряда, поэтому они естественным образом защищены от прямого воздействия высокоэнергетических частиц; также не требуется специальной конструкции для радиационной защиты.
Охлаждение — это второй «порог» и, пожалуй, самый трудный для решения.
В процессе работы традиционных электронных чипов передача электронов по проводникам и переключение транзисторов неизбежно выделяют тепло. А для ИИ-задач есть огромная потребность в переносе данных и вычислениях, из‑за чего энергопотребление и тепловыделение электронных чипов остаются очень высокими.
Космос — это вакуум: нет воздушной конвекции, существуют лишь два пути отвода тепла — теплопроводность и тепловое излучение.
Жесткие ограничения по охлаждению почти неизбежно ведут к снижению частоты у традиционных чипов и даже к отказам.
Способ работы чипов для оптических вычислений совершенно иной: свет распространяется в волноводе, выполняя вычисления; этот процесс почти не сопровождается тепловыделением.
Третий «порог» — энергопотребление.
Во время работы спутника на орбите он сильно зависит от питания от солнечных панелей; после входа в период орбитальной тени поддержание идет только за счет бортовых батарей, поэтому подача энергии крайне ограничена.
Чем выше энергопотребление чипа с высокой вычислительной мощностью, тем большей площади требуют солнечные панели, а это в свою очередь увеличивает массу, габариты спутника и стоимость запуска.
Согласно теории, статическое энергопотребление чипов для оптических вычислений стремится к нулю, и это естественным образом сочетается с жесткими ограничениями дефицита энергии у спутников — можно сказать, это обхода́ние одного из «порогов» наполовину.
Три характеристики оптических вычислений — радиационная стойкость, низкое тепловыделение и низкое энергопотребление — в космической среде являются «убийственным козырем», который помогает космическим вычислениям напрямую перескочить через барьеры начального этапа технологий.
Перейдя эти три «порога», оптические вычисления в космических сценариях получают еще одно преимущество системного уровня, которое электрическим вычислениям труднодостижимо —
При одинаковой массе полезной нагрузки оптические вычисления позволяют получить большее общее количество вычислительной мощности.
Перенос наземных дата-центров на орбиту упирается в главные ограничения — массу и габариты полезной нагрузки.
Вся архитектура обычных серверов спроектирована под наземный форм-фактор. Когда вычислительную мощность поднимают на орбиту, нужно разместить чипы, память, CPU и сопутствующую систему охлаждения, экранирующий слой против радиации… Каждый компонент занимает драгоценное пространство полезной нагрузки, из‑за чего места для по-настоящему вычислительного объема почти не остается.
Подход, предложенный NVIDIA: объединить CPU и GPU на одной плате, чтобы при минимальных размерах и массе получить относительно неплохую вычислительную мощность. Модуль Space-1 Vera Rubin — как раз продолжение этой идеи.
Но оптические вычисления могут продвинуться дальше.
Поскольку сами чипы для оптических вычислений имеют низкое тепловыделение и низкое энергопотребление, соответствующую систему охлаждения и энергетические модули можно сделать легче и меньше. При одинаковой массе полезной нагрузки оптические вычисления способны вместить больше вычислительной мощности.
Поэтому при одинаковых условиях снабжения энергией и охлаждения общий объем вычислительной мощности, реализуемый в оптических вычислениях, выше, чем в электрических.
△Три главных преимущества оптических вычислений в космических сценариях (сгенерировано с помощью ИИ)
По мнению заместителя директора по научной работе Института оптического базиса (光本位科技), Пухуа Наня, у этой выгоды за спиной лежит глубокая внутренняя мотивация.
Улучшение производительности чипов электрических вычислений долгое время зависело от миниатюризации техпроцесса: интегрировать больше транзисторов на той же площади и повышать плотность вычислений за счет более тонких межсоединений.
Однако у этого пути есть физические пределы: когда расстояние между затворами транзисторов уменьшается до определенного уровня, квантовое туннелирование становится неизбежным.
Электроны могут «пробить» в теории непреодолимый потенциальный барьер, что приводит к утечкам и ошибкам вычислений — это «потолок», который в физическом плане невозможно обойти в электрических вычислениях.
Оптические вычисления идут совсем другой дорогой.
Изготовление чипов для оптических вычислений не зависит от доминирующей в передовых техпроцессах литографии в экстремальном ультрафиолете (EUV): уже существующие техпроцессы 45 нм и более, а также субмикронные, достаточны для производства чипов для оптических вычислений.
Рост вычислительной мощности оптических вычислений обеспечивается за счет расширения масштаба оптических вычислений и за счет максимально полного использования множественных направлений повторного применения у самого фотона — длины волны, поляризации, оптических мод и т. п.
На этом пути тепловыделение и энергопотребление оптических вычислений остаются стабильными: стоимость можно держать под эффективным контролем, а потолок по вычислительной мощности еще далеко не достигнут.
Фотонная «развязка»: вывод оптических вычислений с Земли в орбитальную бортовую инференс-систему.
Фотон — ключевой носитель оптических вычислений.
Базовая идея оптических вычислений — заменить электроны фотонами, чтобы выполнять в ИИ-инференсе самую ключевую часть вычислений, то есть большое количество матричных операций.
Преимущество чипов для оптических вычислений в том, что за один акт распространения света можно сразу выполнить целую группу таких операций умножения: скорость очень высокая, и при этом почти не возникает тепла.
Однако если посмотреть на всю отрасль в целом, большинство решений по оптическим вычислениям по сравнению с электрическими все еще не дотягивают до настоящей возможности крупномасштабного, универсального и стабильного развертывания.
Среди самых заметных проблем — две:
Во‑первых, хранение и вычисления по-прежнему разнесены: во время ИИ-инференса параметры модели нужно постоянно переносить из внешней памяти в вычислительный модуль, а пропускная способность памяти становится узким местом всей системы;
Во‑вторых, масштабировать интеграцию сложно: из‑за физических ограничений кремниево-фотонной платформы по размерам чипа, короблению при деформации и плотности межсоединений расширять масштаб вычислительных мощностей в традиционных оптических решениях непросто.
Эти два порога все еще оставляют оптическим вычислениям определенную дистанцию до зрелой и полной вычислительной экосистемы, как у электрических чипов (电芯片).
△Архитектура оптических вычислений с хранением фотонов (сгенерировано с помощью ИИ)
△Многослойная стеклянная оптоэлектронная система для оптических вычислений, технология «по фотонному стандарту»
Но из Земли в космос, считает Пухуа Нань: «оптическим вычислениям нужно преодолеть еще один инженерно оформленный „порог“».
На этапе запуска ракеты вибрации крайне сильные. По сравнению с чисто электронными чипами оптические структуры требуют большего числа элементов упаковки, поэтому структурная устойчивость чипов при высокоинтенсивных вибрациях подвергается дополнительным испытаниям.
После выхода на орбиту системе оптических вычислений также нужно пройти системную валидацию по энергетике, теплоконтролю и связи в реальной космической среде.
Оптические вычисления «свет-свет»: следующая козырная карта для вычислений в космосе
Этот путь похож на логику NVIDIA: от эволюции с одной GPU к кластерным решениям, но базовый технологический маршрут принципиально иной.
Если посмотреть на всю отрасль вычислений «на орбите», сейчас развитие находится на очень ранней стадии, до масштабного коммерческого развертывания еще предстоит пройти довольно долгий путь.
Техническая валидация, системная интеграция, масштабное развертывание — в каждом из этапов еще остается множество инженерных задач, которые нужно решить.
Ограниченные ресурсы для энергоснабжения на борту, цикл итераций космических чипов и недорогой масштаб для вывода на орбиту — все это пороги, которые тянущееся «в небо» (天基计算) должно преодолеть, чтобы перейти от испытаний к коммерциализации.
Коммерческому распространению нужен реальный движущий фактор: либо совокупная стоимость тянуще́гося «в небо» (天基计算) ниже, чем у наземных вычислений, либо сценарии на орбите должны обеспечивать услуги, имеющие высокую ценность и не поддающиеся замене на Земле.
Только-только открылся путь в сфере космических вычислений: выбор того, какой технологический маршрут будут использовать чипы и системы, определит верхнюю границу возможностей будущего «созвездия» вычислительных ресурсов.
Похоже, что электрические вычисления постепенно упираются в предел возможностей техпроцесса; возможно, «свет → свет» (光算光联) как раз является ключевой картой в этой гонке — обходя физические ограничения и уходя в дифференциацию.
Материал из аккаунта WeChat: «量子位»; автор: «关注前沿科技»; исходный заголовок: (Ответ отечественной промышленности на космические вычисления: с фотонами эффективнее! И Маск, и „Лао Хуан“ все усложнили).