Что такое фотонный процессор
Фотонный процессор — это чип, который выполняет вычисления с помощью света вместо электрического тока. В классическом электронном процессоре информацию переносят электроны, проходящие через транзисторы. В фотонном — фотоны, которые направляются по волноводам, проходят через интерферометры, светоделители и модуляторы. В оптическом тракте нет тех же резистивных потерь, что в металлических проводниках, а сигналы разных длин волн могут идти по одному волноводу одновременно. При этом лазеры, модуляторы и электроника управления всё равно потребляют энергию и выделяют тепло.
Однако фотонный процессор не является универсальной заменой электронного. На сегодняшний день оптические чипы лучше всего приспособлены для одного класса задач — матрично-векторного умножения, которое составляет основу нейросетевых вычислений.
Как свет выполняет матричные операции
Большинство фотонных ускорителей построено на сетках интерферометров Маха — Цендера (MZI). Каждый MZI — это пара волноводов, в которых световые волны складываются или гасят друг друга в зависимости от заданного фазового сдвига. Настраивая фазы, инженеры программируют оптическую матрицу, через которую проходит входной вектор света. Результат умножения считывается фотодетекторами на выходе.
Такой подход позволяет выполнить операцию умножения-накопления (MAC) за один проход света — менее чем за наносекунду. В апреле 2025 года группа под руководством Шуай Хуа опубликовала в Nature результаты работы чипа с матрицей 64 × 64, объединяющего более 16 000 фотонных компонентов на одной пластине. Чип продемонстрировал задержку около 3 наносекунд, что значительно меньше, чем у коммерческих GPU при аналогичных операциях.
В том же месяце команда Ахмеда представила 3D-упакованный ускоритель из четырёх тензорных ядер 128 × 128 на базе MZI, совмещённых с 12-нанометровыми CMOS-чипами управления. Заявленная энергоэффективность составила 65,5 TOPS/Вт — на порядки выше, чем у типичных электронных ускорителей.
Почему фотонным процессорам нужна электроника
Свет хорошо справляется с линейными преобразованиями, но нейросетям нужны ещё нелинейные функции активации, хранение промежуточных данных и управление потоком вычислений. Эти задачи пока выполняет электроника. Поэтому реальные фотонные системы — гибридные: оптическое ядро обрабатывает матрицы, а электронная обвязка преобразует данные из электрического сигнала в оптический (модуляторы) и обратно (фотодетекторы), а также применяет нелинейности и хранит веса модели.
Ещё одна нерешённая проблема — оптическая память. Электронные процессоры хранят данные в SRAM и DRAM; для фотонных аналогов исследуются материалы с фазовым переходом и магнитооптические элементы, но серийных решений пока нет.
Прорыв NIST: лазеры любой длины волны на одном чипе
В апреле 2026 года учёные Национального института стандартов и технологий (NIST) совместно с компанией Octave Photonics опубликовали в Nature метод послойного нанесения нелинейных материалов — ниобата лития и пентаоксида тантала — на кремниевую пластину. Полученный чип размером с ноготь принимает инфракрасный лазер и генерирует свет в широком спектре — от видимого до инфракрасного диапазона.
Для фотонных вычислений это важно по двум причинам. Во-первых, компактные многоволновые источники позволяют реализовать плотное мультиплексирование каналов на одном чипе. Во-вторых, совместимость со стандартными кремниевыми пластинами потенциально упрощает интеграцию фотонных элементов с существующими производственными процессами. Пока речь идёт о лабораторном прототипе, а не о готовой замене электронных процессоров.
Где фотонные процессоры применяются уже сейчас
Основная область — ускорение инференса нейросетей, то есть прямого прохода данных через обученную модель. Прототипы классифицируют изображения менее чем за 600 пикосекунд, обрабатывают радиочастотные помехи в реальном времени и решают комбинаторные задачи (модели Изинга). По оценкам обзора Nature Reviews Physics (2023), фотонные ускорители для ИИ-инференса — наиболее реалистичный сценарий коммерциализации в ближайшие годы.
До полностью оптического универсального компьютера, который мог бы заменить CPU общего назначения, путь значительно длиннее. Отсутствие полноценной оптической памяти, сложность нелинейных операций в свете и необходимость преобразования данных между электрическим и оптическим доменами ограничивают фотонные процессоры ролью специализированных ускорителей — мощных, но работающих в связке с традиционной электроникой.
Энергоэффективность — главный аргумент
Центры обработки данных для обучения и работы больших языковых моделей потребляют гигаватты электроэнергии, значительная часть которой уходит на охлаждение электронных чипов. Фотонные ускорители обещают радикально снизить энергозатраты на операцию, потому что фотоны не нагревают волновод при прохождении. Заявленная энергоэффективность лучших прототипов 2025 года — 65,5 TOPS/Вт и даже 160 TOPS/Вт у чиплета Taichi — в десятки раз превышает показатели серийных GPU. Однако эти цифры получены в лабораторных условиях на узком наборе задач; реальная эффективность в составе полного вычислительного стека будет ниже, поскольку часть энергии расходуется на электрооптическое преобразование, управление и охлаждение лазерных источников.
Читайте также: Как работает китайский чип на основе света
Тем не менее даже умеренный выигрыш в энергоэффективности при масштабировании до дата-центра может оказаться решающим: если оптический ускоритель снижает энергозатраты на инференс вдвое, это высвобождает мегаватты мощности на каждом объекте. Именно поэтому крупнейшие технологические компании — от стартапов вроде Lightmatter до исследовательских подразделений Intel и IBM — инвестируют в кремниевую фотонику, считая её ключевым направлением для вычислительной инфраструктуры следующего десятилетия.