پاتک نوری چین به انویدیا: چگونه چیپ فوتونیک «تایچی» دیوار تحریم‌های آمریکا را شکست؟ (تحلیل علمی انقلاب پردازش نوری)

۱. بن‌بست قانون مور: چرا تراشه‌های الکترونیکی به پایان خط رسیده‌اند؟

برای درک عظمت کاری که چین انجام داده، اول باید بفهمیم مشکل فعلی چیست. سال‌هاست که صنعت پردازنده تابع «قانون مور» است: تعداد ترانزیستورها هر دو سال دو برابر می‌شود. اما ما به محدودیت فیزیک رسیده‌ایم.

وقتی ترانزیستورها را بیش از حد کوچک می‌کنیم (زیر ۳ نانومتر)، الکترون‌ها دچار پدیده‌ای به نام «تونل‌زنی کوانتومی» می‌شوند و از مدار نشت می‌کنند. این یعنی گرما، مصرف برق وحشتناک و ناپایداری. چیپ H100 انویدیا که امروز سلطان هوش مصنوعی است، حدود ۷۰۰ وات برق مصرف می‌کند (اندازه یک اتو برقی!). دیتاسنترهای هوش مصنوعی در حال بلعیدن برق جهان هستند. راه حل؟ تغییر حامل اطلاعات.

۲. فوتونیک در برابر الکترونیک: وقتی نور جایگزین برق می‌شود

ایده کامپیوتر نوری (Optical Computing) جدید نیست، اما ساختنش غیرممکن به نظر می‌رسید. تفاوت در اینجاست:

• تراشه الکترونیکی: از الکترون استفاده می‌کند. الکترون‌ها جرم دارند، با هم برخورد می‌کنند (مقاومت) و گرما تولید می‌کنند. انتقال اطلاعات با تاخیر انجام می‌شود.
• تراشه فوتونیک: از فوتون (بسته‌های نور) استفاده می‌کند. فوتون جرم ندارد، مقاومت ندارد، گرما تولید نمی‌کند و با سرعت نور حرکت می‌کند.

تصور کنید در یک ترافیک سنگین (الکترون‌ها در سیم مسی) گیر کرده‌اید. حالا تصور کنید می‌توانید پرواز کنید (فوتون‌ها در فیبر نوری). تفاوت اینجاست.

۳. معماری «تایچی»: شاهکار مهندسی دانشگاه چینهوا

مشکل اصلی چیپ‌های نوری تا امروز «مقیاس‌پذیری» بود. نور دوست دارد پخش شود (Diffraction) و کنترل کردن هزاران پرتو نور در یک چیپ کوچک سخت بود. تیم تحقیقاتی دانشگاه چینهوا با معماری جدیدی به نام Taichi این مشکل را حل کرد.

آن‌ها از مفهومی به نام "Distributed Computing in Synthetic Frequency Dimensions" استفاده کردند. به زبان ساده، به جای اینکه سعی کنند همه محاسبات را در یک نقطه انجام دهند، آن‌ها محاسبات را در «خوشه‌های» مختلف توزیع کردند و با استفاده از تداخل امواج نوری (Interference)، عملیات ضرب ماتریسی را انجام دادند. ضرب ماتریس، قلب تپنده تمام هوش مصنوعی‌هاست.

۴. اعداد ترسناک: ۱۶۰ تریلیون عملیات با مصرف ۱ وات!

نتایج تست چیپ تایچی که در ژورنال معتبر Science منتشر شد، باورنکردنی است:

• بهره‌وری انرژی: ۱۶۰ TOPS/W (تریلیون عملیات بر ثانیه به ازای هر وات). برای مقایسه، چیپ‌های معمولی حدود ۱ تا ۵ TOPS/W هستند.
• دقت: این چیپ توانست مدل‌های هوش مصنوعی را با دقت بالای ۹۱.۸٪ (در دسته‌بندی تصاویر ImageNet) اجرا کند که برای یک چیپ آنالوگ شاهکار است.
• کاربرد: این چیپ توانست محتوای با کیفیت بالا (High-fidelity) تولید کند، کاری که قبلاً پاشنه آشیل چیپ‌های نوری بود.

۵. دور زدن تحریم‌ها: چرا چیپ نوری به دستگاه‌های ASML نیاز ندارد؟

این بخش سیاسی-اقتصادی ماجراست. آمریکا صادرات دستگاه‌های لیتوگرافی EUV (ساخت شرکت ASML هلند) را به چین ممنوع کرد تا چین نتواند چیپ‌های زیر ۵ نانومتر بسازد.

اما نکته کلیدی اینجاست:
نور (فوتون) طول موجی بسیار بزرگتر از الکترون دارد (چند صد نانومتر در برابر چند نانومتر). بنابراین، برای ساخت چیپ نوری، شما نیازی به لیتوگرافی ۳ نانومتری ندارید!
چین می‌تواند با تکنولوژی‌های قدیمی‌تر (مثلاً ۴۵ نانومتر یا حتی قدیمی‌تر) که تجهیزاتش را کاملاً بومی‌سازی کرده، چیپ‌های نوری بسازد که قدرتی معادل یا برتر از چیپ‌های ۳ نانومتری انویدیا دارند. این یعنی خلع سلاح کامل تحریم‌های آمریکا.

۶. چالش‌های واقعی: آیا می‌توانیم روی این چیپ GTA VI بازی کنیم؟

قبل از اینکه خیلی هیجان‌زده شویم، باید واقع‌بین باشیم. چیپ «تایچی» قرار نیست جایگزین CPU یا GPU در سیستم گیمینگ شما شود (حداقل نه به این زودی).

• تخصصی بودن (ASIC): این چیپ‌ها فقط برای انجام «محاسبات خاص» مثل هوش مصنوعی (شبکه‌های عصبی) طراحی شده‌اند. آن‌ها نمی‌توانند ویندوز را بوت کنند یا منطق بازی را اجرا کنند.
• چالش برنامه‌نویسی: برنامه‌نویسی برای نور با برنامه‌نویسی باینری (صفر و یک) فرق دارد. اکوسیستم نرم‌افزاری هنوز آماده نیست.
• ترکیبی بودن: آینده احتمالاً "هیبریدی" است. یعنی CPUهای سیلیکونی معمولی کارهای منطقی را انجام می‌دهند و یک واحد پردازش نوری (OPU) کارهای سنگین هوش مصنوعی را به عهده می‌گیرد.

۷. آینده هوش مصنوعی: مدل‌های GPT-5 و مصرف انرژی

سم آلتمن (مدیر OpenAI) اخیراً گفت: "ما برای مدل‌های بعدی به انرژی هسته‌ای (Fusion) نیاز داریم." این حرف نشان‌دهنده بحران انرژی است. دیتاسنترهای هوش مصنوعی دارند دریاچه‌ها را برای خنک‌سازی خشک می‌کنند.

تکنولوژی فوتونیک می‌تواند این معادله را حل کند. اگر مصرف انرژی ۱۰۰۰ برابر کم شود، ما می‌توانیم مدل‌های هوش مصنوعی بسیار قدرتمندتر از GPT-4 را حتی روی موبایل‌ها یا لپ‌تاپ‌های شخصی اجرا کنیم، بدون اینکه باتری در عرض ۵ دقیقه خالی شود.

۸. جمع‌بندی: آغاز عصر سیلیکون-فوتونیک

چیپ «تایچی» چین، یک زنگ خطر برای غرب و یک نوید برای علم است. این نشان می‌دهد که وقتی مسیرهای معمول بسته می‌شوند، علم مسیرهای جدیدی پیدا می‌کند.

ما در تکین‌گیم معتقدیم که تا ۵ سال آینده، کارت‌های گرافیک و شتاب‌دهنده‌های هوش مصنوعی به سمت معماری "الکترونیک-فوتونیک" خواهند رفت. شاید روزی نرسد که تمام کامپیوتر نوری باشد، اما روزی که "نور" بار سنگین هوش مصنوعی را به دوش بکشد، با «تایچی» آغاز شده است.