Q.ANT запускает фотонный процессор для улучшения человеческих возможностей

Штутгартский (Германия) стартап по производству квантовых чипов Q.ANT запустил свой первый коммерческий фотонный процессор, который, по его словам, использует в 30 раз меньше энергии для вычислений, чем чипы CMOS. Фотонный процессор поставляется со стандартным для отрасли PCI-Express и предназначен для снижения углеродного следа центров обработки данных.

В сентябре этого года Q.ANT также сделал фотонный процессор доступным в облаке, чтобы продемонстрировать, как технология может эффективно выполнять сложные и ресурсоемкие задачи ИИ — в данном случае вывод нейронной сети. В демонстрации пользователи выбирают изображение рукописного числа из модифицированной базы данных Национального института стандартов, обширной коллекции рукописных цифр, используемых для обучения моделей машинного обучения. Используя обученную нейронную сеть, процессор затем предсказывает число, выполняя умножение матрицы на вектор на чипе и выводя вероятность того, что каждое число — от 0 до 9 — является выбранной цифрой. Q.ANT утверждает, что точность распознавания процессора составляет 95%.

Как выразился генеральный директор Майкл Фёрч: «Поскольку спрос на ИИ продолжает расти, растет и потребность в энергоэффективных решениях. Эта демонстрация подчеркивает значительный шаг в удовлетворении энергетических потребностей ИИ… и дает первое представление о том, куда, по нашему мнению, пойдет этот тип вычислений». «С нашей технологией фотонных чипов мы привносим невероятную мощь фотоники непосредственно в реальные приложения», — добавил он. «Подумайте сегодня, запрос ChatGPT обойдется вам примерно в 30 центов — если наша технология получит широкое распространение, она может снизить стоимость задания по выводу до менее чем 1 цента за запрос».

Фотонный процессор Q.ANT на PCI-Express — это собственный процессор (NPU), разработанный для ресурсоемких вычислительных приложений, таких как ИИ-вывод, машинное обучение и физическое моделирование. (Источник:Q.ANT GmbH)

Пилотные планы Q.ANT начались в 2018 году в исследовательской лаборатории Trumpf в Германии для разработки фотонных технологий, включая компьютерные чипы и датчики. Группы по всему миру работали с различными материалами, включая такие сложные полупроводники, как нитрид кремния, фосфид индия и арсенид галлия, а также с «экзотикой», включая алмазные цветные центры, легированные редкоземельными элементами кристаллы, 2D-материалы и многое другое. Но Фёрч и его коллеги остановились на тонкопленочном ниобате лития (TFLN) из-за его большого электрооптического эффекта, который обеспечивает модуляцию света и другие свойства.

Стартап TFLN создал квантовые чипы, которые включают слои ниобата лития, нанесенные на кремний и структурированные в оптические волноводы. Активные компоненты, такие как модуляторы, излучающие преобразователи и резонаторы, а также компоненты на чипе для управления световыми и квантовыми фотонными сигналами для обработки и ранней защиты.

Важно отметить, что Q.ANT также оттачивает собственные производственные процессы от производства пластин до упаковки чипов с самого начала. «Мы видим много стартапов, начинающих [работать] с ниобатом лития сейчас... но нам повезло, что у нас уже есть пилотная линия», — сказал Фёрч. «Это наш главный фокус сейчас».

Сотрудник Q.ANT осматривает фотонный чип (Источник:Q.ANT)

По словам Фёрча, у компании есть предприятие, которое производит 4- и 6-дюймовые пластины, и она планирует производить 8-дюймовые пластины. Фотонные чипы затем производятся и обрабатываются на ее пилотной линии, которая была модернизирована из 90-нанометрового узла КМОП в Институте микроэлектроники Штутгарта (IMS CHIPS). В настоящее время линия имеет годовую производительность 2000 запусков пластин, но дополнительные инвестиции могут увеличить ее до 10 000 запусков пластин в год. Q.ANT также упаковывает чипы с партнерами и объединяет упакованные чипы для формирования собственных процессорных блоков.

Хотя Фёрч пошутил: «Мы не TSMC», он подчеркнул, что индивидуальные фотонные интегральные схемы на TFLN также могут быть изготовлены на его пилотной линии. «Мы рассматриваем возможность публикации комплекта для разработки процесса, который другие компании могли бы использовать для производства своих фотонных чипов на пилотной линии Q.ANT», — сказал он.

«Я убежден, что пока это новое сообщество фотонных вычислений не достигнет уровня зрелости, на котором мы согласуем стандарты, вы не сможете привлечь слишком много других сторон к основной технологической линии», — добавил он. «У нас нет этих стандартов, подобных КМОП, где вы можете заключить субподряд с GlobalFoundries или кем-либо еще, потому что мы просто не говорим на одном языке».

Быстрый прогресс в производстве фотонных чипов

Во время разработки и производства фотонных чипов Q.ANT сотрудничала с многочисленными игроками отрасли. Например, компания участвует в QPIC-1, проекте стоимостью 17,7 млн ​​евро, в значительной степени финансируемом правительством Германии, по разработке платформы фотонного квантового компьютера, и возглавляет финансируемый правительством проект Phoquant стоимостью 50 млн евро по разработке архитектуры фотонного компьютера. Вместе с компанией по ИТ-безопасности немецкого правительства Bundersdruckerel она также разработала демонстратор квантового чипа для имитации случайных чисел для приложений шифрования.

Однако для Q.ANT это не только фотонные вычисления. Стартап разрабатывает исключительно чувствительные и точные квантовые датчики для метрологии частиц, атомных гироскопов и магнитного зондирования. Его датчик частиц может анализировать размер, скорость и траекторию отдельных частиц в диапазоне от 2 до 700 микрон в режиме реального времени: ключевым применением является мониторинг биореакторов для промышленного выращивания водорослей. Тем временем, работая с Bosch, Trumpf, Институтом Фердинанда Брауна и Немецким аэрокосмическим центром над финансируемым правительством проектом стоимостью 28,5 млн евро, QYRO поставляет квантовый гироскоп для точного управления выравниванием CubeSat для высокоскоростного подключения к данным. Ближе к дому Q.ANT также разрабатывает датчики магнитного поля, которые могут точно измерять самые тонкие электрические токи. Эти квантовые датчики могут обнаруживать, скажем, токи короткого замыкания в силовых микросхемах, но могут использоваться в интерфейсах человек-машина, позволяя управлять устройствами с помощью человеческих биосигналов. На Ганноверской ярмарке этого года компания продемонстрировала, как ее биосенсор может обнаруживать сигналы человеческих мышц в нервных путях и передавать их на протез руки, заставляя ее сжиматься в кулак за миллисекунды. Рынок — следующий.

«В дополнение к нашей карте PCI Express мы запускаем наш первый коммерческий квантовый датчик в начале января [2025 года] — биосенсор, который может считывать ваши мышечные сигналы», — сказал Фёрч. «Мы [создали] нечто совершенно новое, что изменит наше представление о датчиках во многих отраслях».

Могут ли и биосенсор, и карта PCIe стать только началом многих изменений в мышлении отрасли? Цель Фёрча «до выхода на пенсию» — иметь квантовый датчик магнитного поля, достаточно чувствительный для обнаружения мозговых волн, — и он не останавливается на обнаружении. Его конечное видение также включает использование оптогенетики — метода, который использует свет для управления генетически модифицированными нейронами в мозге — для повышения производительности человека.

«Я хочу объединить [наш датчик] с фотонным чипом и начать обрабатывать информацию напрямую из мозга», — сказал Фёрч. «Мы вводим свет через оптогенетику обратно в мозг. Затем вы можете получить оптическую обратную связь в свой мозг... и когда у вас это есть, вы можете расширить свое зрение».

Пластина с фотонными чипами, структурированная с оптическими волноводами для управления светом (Источник: Q.ANT)

Хотя идеи и технологии могут показаться немного научно-фантастическими, Дитер Юптнер, президент Немецкой федеральной ассоциации людей с ампутациями рук или ног, уже сказал: «[Биосенсор Q.ANT] выводит протезирование людей с ампутациями рук или ног на новый уровень, улучшая качество их жизни. Он также способствует лучшей социальной интеграции людей с отсутствующими конечностями». Только время покажет, последуют ли расширенные человеческие возможности, но в то же время работа Q.ANT над собственными процессорами для вывода ИИ, а вскоре и обучения ИИ, будет продолжаться быстрыми темпами. Что также ясно: стартап, безусловно, настроен на то, чтобы увидеть, как семь лет тщательной разработки квантовых технологий приведут к коммерческим результатам.