本動画は、ドイツ・ミュンヘンを拠点とするスタートアップ企業Lightmatterが開発を進める世界初の全光学コンピュータを紹介するものである。電子コンピューティングがムーアの法則の限界に直面し、エネルギー消費とスケーラビリティの課題を抱える中、光を用いた演算処理という革新的アプローチが注目されている。共同創業者たちはCOVID-19パンデミック中にLinkedInで出会い、フォトニクス材料からアーキテクチャまでを統合的に設計することで、従来の電子チップよりも高速かつ省エネルギーな計算システムの実現を目指している。欧州の既存ファウンドリを活用できるプロセスサイズ、波長多重化による並列処理、そして光メモリの開発など、技術的課題を克服しながら商用化に向けて着実に前進している様子が描かれている。
全光学コンピュータへの挑戦
私たちは世界初の全光学コンピュータを構築しています。ご存知のように電子コンピューティングはいくつかの限界に直面しています。これらは以前ほど速く動作しなくなり、もはやムーアの法則に従っていません。
すべてのテクノロジーには多大なサンクコストが投下されているため、革新を好みません。だからこそ私たちはスタートアップとしてこれを実行する必要があるのです。
私たちはデータセンターのエネルギー消費に関して巨大な問題を抱えています。なぜなら、コンピューティングはエネルギーと機器の面でコストがかかるからです。Lightmatterで私たちが構築しているのは、超効率的で次世代のユースケースを可能にする計算プラットフォームです。
これは社会と経済を根本レベルで変えるでしょう。欧州はコンピューティングの次なる大国になれるのです。
皆さんこんにちは、私はマイケルです。Lightmatterの共同創業者の一人で、私たちはここ欧州のミュンヘンで世界初のフォトニック高性能コンピュータを構築しています。
COVID-19がもたらした出会い
この会社はCOVID-19の期間中に設立されました。私はニュルンベルクのFAU大学で教授になるために働いていて、私たちは両方とも外に出られませんでした。私の場合は研究室に行けず、彼の場合は在宅勤務ができず、オフィスにも行けませんでした。そのため私たちには両方とも自由な時間がありました。
そして私たちは両方とも次世代のコンピューティングをどうやって実現できるかを考えていました。
そしてある時点で、メル…私は彼を知らなかったのですが、彼がLinkedInで私にコンタクトを取り、フォトニックコンピューティングについて質問し始めました。
レオは私がこれについて考えるずっと前から何十年もの間、光コンピューティングに取り組んでいました。
私は「この変な人は誰だ」と思いましたが、まあ時間はあるしアイデアを探求してみようと考えました。COVID-19の制限が解除されるとすぐに私たちは会いました。ビアガーデンで会ったのです。
そして話し始めると、一つのことに気づきました。最初の簡単な計算から、これは機能するということです。このアイデアには物理的な限界がありませんでした。すぐに私たちはこれで会社を立ち上げるべきかというアイデアに至り、そして「よし、行こう」となりました。そして今ここにいます。
私たちは光コンピューティングという夢を持ったオタクの集まりとして始まりました。真空管からトランジスタへと移行したように、私たちは皆、トランジスタから何か別のものへと移行する時が来たと確信しています。そして私たちの意見では、その何か別のものがフォトニックコンピューティングなのです。
インターネットはすでに光で動いている
インターネットはすでに海底のフォトニック光ファイバーケーブル上で動作しており、おそらく皆さんの家にも光ファイバーケーブルが来て情報を運んでいるでしょう。
世界中のすべての情報はすでにフォトニックの形で移動しています。私の疑問は、なぜこの光情報、このフォトニック情報を電子に変換して計算を行い、それから再びフォトニックに変換してどこかに送信する必要があるのかということです。なぜ計算全体をフォトニックで行うことができないのでしょうか?
ムーアの法則という名前の由来となった元の論文は、最も複雑な集積回路が約60個のコンポーネントから約6万個へと、複雑さが千倍に増加するという10年間の予測を行いました。
私は集積回路が安価なエレクトロニクスへの道になるというアイデアを伝えようとしていただけです。
ムーアの法則の停滞
ムーアの法則は、トランジスタの数がチップに収まる数を倍増し続け、したがって計算の速度と密度が増加できるという考えです。そしてそれはある程度真実でしたが、過去10年か20年の間に停滞しています。
オーバークロックの記録は5GHzで、2025年の今日のCPUは依然として5から6GHzのクロック速度です。電子では速くすることができません。例えば2006年にIntelからCore Duoが登場し、それは複数のコアを使用する最初のCPUでした。なぜなら単一のコアをどんどん速くすることが限界に達していたからです。
そして今では、より密にすることさえできません。最新の技術は3ナノメートルで、3ナノメートルはわずか数個の原子です。そして原子より小さい構造を作ることはできません。
そして1原子の厚さに到達する前に、これらのデバイスが動作するのを妨げる量子物理学があります。実際のCPU自体は本当に小さいのです。ダイのほとんどはキャッシュメモリです。なぜならフォン・ノイマンアーキテクチャにおける最大のボトルネックの一つがメモリだからです。
フォトニック構造の利点
そこであなたは「フォトニック構造はずっと大きい。チップに収まるフォトニックトランジスタの数はそれほど多くない」と言いますが、それは真実です。しかしCPUダイのどれだけがCPUではないかを見ると、「ああ、実際にはそのスペースの大部分は本当に必要ではない」と気づくでしょう。私たちの目的のためには、実際にはキャッシュメモリは本当に必要ありません。なぜならフォトニックアーキテクチャではメモリは基本的に瞬時だからです。したがって、そのスペース全体をチップに使うことができるのです。
世界は電子が単純にスケールできない場所に来ています。そして私はムーアの法則のことすら言っているのではありません。私が言っているのは、将来の計算要求を満たすのに十分なエネルギーがないという事実です。
私たちは、無限にスケールできない計算性能の上に1兆ドル規模のAI産業を構築しているのです。基本的には電子をある意味で押し回しているのです。長い電子ワイヤーには多くの抵抗があり、電力を失います。
光を使って情報を伝送する場合、これらはすべて問題ではありません。そしてこれにより、私たちのコンピュータは可能な限りエネルギー効率的になり、「ああ、私のデータセンターは原子力発電所を使い果たしているのか」と考える必要のない未来を可能にします。
波長多重化による並列処理
しかし私たちは時間多重化、波長多重化のようなことができます。2つの異なる波長の光があると、それらは独立しています。互いに相互作用しません。CPUに青い光を送り、私も赤い光をCPUに送ります。そして最後に赤の出力と青の出力が何であったかを測定します。
つまり、私は同じCPUサイクルで2つの計算を行ったことになります。電子信号ではこれはできません。なぜなら、それらはすべて互いに干渉するからです。
私たちはLightmatterのような他の会社が何をしているかを見てみました。フォトニックコンピューティングの道を始めた会社がいくつかあります。私の知る限り、それらはすべてインターコネクトの製造にピボットしました。つまり光通信ですが、光コンピューティングではありません。
彼らに欠けていて、代わりに私たちが最初から持っていたのは、この問題に全体論的な方法で取り組むことです。
プロトタイプの開発
散らかっていて申し訳ありませんが、この部屋で私たちは最初のプロトタイプの一つを組み立てています。ご覧のように、すべては電源付きの通常のラックユニットに収容されています。これは私たちの計算用の標準ボードです。
このポッドに4つのフォトニックチップと、この場所で情報をルーティングするオーケストレーターが含まれることになります。
私のバックグラウンドは光コンピューティングでしたが、フォトニクスの観点から、個々の材料、個々のコンポーネント、単一の論理ゲートという視点でした。メルはアーキテクチャの観点から問題に取り組んでいました。フォトニクスを使ってどうやってアーキテクチャをより良くできるかということです。
さて、これら2つのアプローチだけでは機能しません。通常、人々はトランジスタやNANDゲートからフォトニックアーキテクチャを再構築しようとします。しかし、それらはフォトニクスで作られる最良のコンポーネントではありません。
統合的アプローチの必要性
私はフォトニック論理ゲートを実証して、「やった、私はコンピュータを発明した」と思いました。そしてマイケルが私に尋ねた最初のことは、「これらを100個組み合わせることができますか?1000個組み合わせることができますか?」でした。そして私は「ああ、これらすべてを一緒に動作させる方法はない」と気づきました。フォトニクスと材料から始める人々はアーキテクチャについて考えないからです。
したがって、この問題を解決する唯一の方法は、すべての問題に同時に取り組むことです。材料、フォトニックデバイス、フォトニックアーキテクチャ、コンパイラ、そしてソフトウェア。スタック全体について同時に考える必要があります。これは信じられないほど難しいですが、同時にこれを実現する唯一の方法なのです。
これもまたパッケージチップですが、上部に保護があります。保護のないものを探しています。いくつかのことが事前にどのように機能するかを予測することは非常に難しいです。テストし、実験しなければなりません。つまり、私たちがこのような堅牢な研究室を持っている理由は、これらすべての実験を自分たちで行い、これらのことをどのように機能させることができるかを見つけ出さなければならないからです。
これらのものがどのように機能するかについての理論的モデルはありますが、理論を信頼することはできません。自分でデータを取得しなければなりません。残念ながら、
今、私たちはチップ上のさまざまなコンポーネントを特性評価しています。左側にはファイバーアレイがあります。これはチップに光を結合させ、チップから光を取り出すための私たちのツールです。これは自動化されたルーチンで、非常に強力です。なぜなら、非常に短時間で多くの異なるデバイスを特性評価できるからです。
これら2つが2つのチップです。ファイバーを通して光を送ります。すべての青い線は個々のファイバーです。光学的にチップに電力を供給します。それから、いくつかのデバイスに電力を供給する電気接続があり、それから出力から光を収集します。データを取得して、実際にチップが適切に動作しているかどうかを確認するために分析する必要があります。
近赤外線波長の利用
私たちの全光学コンピュータは、近赤外線または時には可視スペクトルの通常の波長で動作します。しかし、それは波長が600から1,550ナノメートルの間のどこかにあることを意味します。そして当然、誘導媒体として使用するものは、そのサイズについてでなければなりません。それはここ欧州で実際に作ることができるものです。
欧州には多くのファウンドリがあります。シリコンサクソニーはファウンドリでいっぱいです。フランスもファウンドリでいっぱいです。オランダもファウンドリでいっぱいです。欧州中にたくさんのファウンドリがあります。しかし、彼らはこれらの古いプロセスを作っています。
そして、私たちのチップが少し大きいという事実は問題ではありません。なぜなら、同じ面積に対して論理ゲートは少なくなりますが、それらの論理ゲートは電子論理ゲートよりも信じられないほど高速になる可能性があるからです。
したがって、最終的に同じチップで、面積でのこの小さな欠点があるにもかかわらず、多くの性能を得ることができます。また、これらのプロセスは現代の電子に必要な3ナノメートルよりもはるかにはるかに安価です。したがって、私たちのチップも少し大きいにもかかわらず安価です。
そして、それは本当に光コンピューティングとフォトニクスを欧州にとって特別なものにしています。なぜなら、私たちはここでそれを作ることができるからです。
これらのより大きな構造が依然として電子を上回る性能を発揮するというのは奇妙に思えるかもしれませんが、それは単に私たちがはるかに速くスイッチングでき、帯域幅の制限がないという事実と関係があります。したがって、欧州はコンピューティングの次の大国になることができるのです。
サプライチェーンの安全保障
私がいつも頭に浮かぶ重要なことの一つは、サプライチェーンの安全保障です。残念ながら、世界がこれらの日々でかなり不安定になったことは秘密ではないと思います。欧州内で完全にものを行うことができるということは、この完全に包含されたサプライチェーンを持っているということです。
たとえコンピュータがそれほど良くなくても、100%欧州内で製造されています。それは私たちの国、民主主義、経済の安全保障について本当に大きな話題です。
最初の論理ゲートは、会社設立から6か月で作ることができました。テーブル上のプロトタイプとして、散らかっていましたが、奇妙に思えるかもしれませんが、私たちは皆オシロスコープを見て、オシロスコープ上を動く小さなブロブを見ていました。すべてが機能しているように見えたので、私たちは皆超幸せでした。
その時の気持ちを伝えるのは難しいですが、私たちはその画像をあちこちに投稿し、私たちが設計したもの、私たちが何か月、何年も正しくするのを待っていたものが、ついにクリックしたことに皆超幸せでした。
スケールアップへの道
そしてそこから私たちは本当に速くスケールアップし始めました。1つの論理ゲートから、10個、100個、1000個になりました。そして今、私たちは1つのチップに1万個の論理ゲートを持っています。
そしてその時点から、私たちはファウンドリと協力し始めました。彼らに私たちのチップ設計を送り、私たちのために製造してもらいました。時々、予想よりも時間がかかることがあります。
6か月後にチップが戻ってくると信じていても、1年、1年半かかることがあります。したがって、次のチップを設計できるように結果が戻ってくることを期待しているとき、遅延は常に問題です。そして、何年も前の若いスタートアップとして、それは会社をほぼ殺すところでした。
何かを提出して、6か月後、あるいは1年後に何かが戻ってきます。もしここで何か大きなミスをすると、問題の結果は何度も何度もカスケードします。スタートアップとして、私たちはただ行動することができます。
私たちの主な洞察は、フォトニクスは製造するのに高価すぎないということでした。だから私たちはただ別のチップ、そしてまた別のチップを作ればいいのです。
物事が正しく行かなくても、それについて多くの情報を得ることができ、それでも前進することができます。
そして今、私たちは設計して製造した24個のチップを持っています。
何かが私たちの予想通りでなくても、私たちはそこから多くの情報を収集し、チームとして、会社として成長し、私たちの技術もそれによって成熟します。
私たちは今、世界初の全光学コンピュータを構築している段階に到達しました。これはデバイスです。
グラフィックスカードとしての実装
グラフィックスカードのように見えます。おそらく少し大きく、これを通常のコンピュータ、電子コンピュータに差し込むことができます。PCIポートにシステムに新しいグラフィックスカードが差し込まれたとオペレーティングシステムに伝えるだけです。このグラフィックスカードのベンダーはLightmatterです。
そして、このようなまたは任意のビデオ編集ソフトウェアのような通常のプログラムがあり、「通常の緑色のグラフィックスカードでビデオをレンダリングしますか、それともLightmatterのグラフィックスカードでレンダリングしますか?」と尋ねるだけです。実際にはこれがフォトニックであることを知りません。
したがって、ソフトウェア部門はこのブリッジ、ドライバーを作り、ドライバーにはもちろんコンパイラが含まれています。そして今、私たちはそれをここのこの言語に翻訳することができます。
基本的に左側には人間が読めるソースコードがあります。色を変更する必要があり、ピクセルを緑にしたいと言っているだけです。そして、この人間が読めるプログラムは通常のプログラミング言語ですが、SPIR-Vに翻訳する必要があります。
これはすべてのベンダーが理解しなければならないもので、それから彼らはこれを彼ら自身の非常に独自のハードウェアに翻訳しなければなりません。したがって、右端のこのRISCの部分は、基本的に私たちが構築しているフォトニックチップのアセンブリ言語です。
私たちには独自のISA、独自の命令セットがあります。ハードウェア自体にコマンドのセットがあり、これらのビットのパターンを呼び出すことができます。特定の順序でそれを呼び出すと、例えば数値として1+2を加算します。そこに加算コマンドがあります。
Doomで実証
概念実証として、そして私たちのフローチップが実際の生活で実際に機能することを示すために、私たちはもちろんDoomをチップ上でプレイ可能にすることに決めました。したがって、今私たちは実際にそれをプレイして敵と戦うことができることがわかります。
つまり、彼らはそこにいます。私にはあまり命がありません。ああ、わかりました。
現代のCPUを考えると、内部にあるのは何十億ものトランジスタです。1つのデータストリームを別のストリームでスイッチングできる小さな要素です。フォトニクスでそのシンプルなデバイスを複製できれば、フォトニックコンピュータを作ることができます。
全光学スイッチの実現
必要なのは全光学スイッチと呼ばれるものです。1つの光ビームを別のもので切り替える能力です。必要なのは光非線形性です。
そして、実際に路上で時々見かける非常に一般的なものがあります。皆さんの中には、光の中に入ったときだけ暗くなるサングラスをかけている人を見たことがある人もいるでしょう。それは実際に光コンピューティングに使用できる光学効果です。
なぜなら、太陽光がメガネに当たると、それらは暗くなり、本質的に他のすべての光を遮断するからです。そのデバイスは全光学スイッチです。
そして非線形光学を可能にするために、私たちは新しい高度な材料が必要です。
シリコンはかなり悪い伝搬損失を持っています。いくつかの非常に制御不可能な非線形性があります。それは二光子吸収と呼ばれます。
一方、この新しい材料が登場しており、ファウンドリがそのためのプロセスを構築し始めています。リン化インジウムと呼ばれています。比較的低い電力消費で、実際に非常に簡単に制御可能な光非線形性があります。
これは、多くのフォトニクス技術、特に集積フォトニクスを構築するものです。フォトニクスは、既存のCMOSファウンドリから生まれました。彼らは「ああ、たぶん私たちはこれらの小さな光チップのようなものを作ることができるかもしれない」と言いましたが、少なくともほとんどのファウンドリは、フォトニックファウンドリとして始まったことはありませんでした。
今、彼らは登場していますが、過去10年ほどの間、光学専用に設計された専用のフォトニクスプロセスではありませんでした。
新材料の選択
これは新しいもので、したがって私たちは既存の技術を使用するか、誰かに私たちのために新しいものを開発してもらおうとするか、または私たちのニーズに合うように既存の技術を調整してもらうことができるかという選択をしなければなりません。なぜなら、私たちには非常にユニークなニーズがあるからです。
本当に私たちには多くの光非線形性が必要です。つまり、光非線形性は集積フォトニクス、特にこの聖杯のようなものです。なぜなら、小さなチップ上で低電力でこれらの非線形性を得ることは非常に難しいからです。
しかし、できれば多くのことができます。
現時点で私たちが抱えている主な問題はメモリです。光を止める必要があります。光は止まることを好みません。常に動いています。
物事をはるかにシンプルにするために考えることができる基本的な基盤がいくつかあります。古いDVDのようなものです。それは光学メモリです。すべて光学的に読み書きされます。
読み取りは実際には本当に簡単な部分であることがわかります。一度書き込むと、これらの特定の場所でその材料特性を変更したことになります。したがって、いくつかの場所は光を吸収し、いくつかの場所は光を反射するかもしれません。
光学メモリの課題
そして、読み取りレーザーが入り、適切な場所でDVDに当たります。そして、それが吸収されると、反射される光はありません。したがってゼロです。それが反射されると、光を得たことになります。したがって1です。
光学メモリのアイデアはそれほど難しくありません。問題は、速くしたいときに発生します。なぜなら、私たちの光学コンピュータはテラヘルツ領域に入ることができますが、CDがどれほど遅いか皆知っているからです。
そして問題は、私たちの光学計算と同じ速さでスイッチングできる光学メモリを可能にする技術をどのように取るかということです。それが全光学コンピュータに関しての主要な課題です。
私は将来がフォトニクスであることを完全に確信しています。それがフォトニックコンピュータであれ、フォトニックメモリであれ、さらにはフォトニック周辺デバイスであれ。フォトニックの旅は電子と同様の道を辿るでしょう。
おそらく私たちは、準備ができ次第、量子コンピューティングも実装し始めるでしょう。
非常に高性能で低エネルギー影響のローカルコンピューティングを利用可能にするという事実は、おそらくクラウドコンピューティングから離れることを意味します。誰もが自分のローカルサーバーを持つでしょう。学校やオフィスは自分のローカルAIコンピューティングを持つでしょう。それはインターネットを介して米国に送信されることはありません。
社会と経済への影響
それは社会と経済を根本レベルで変え、レイテンシーやセキュリティの面ではるかに優れています。なぜなら、あなたのデータは今やあなたの施設内だけにあるからです。
私たちの次の大きなマイルストーンは全光学コンピュータの構築です。そして本当にコンピュータを意味しています。そして私たちは実際に今それを構築しています。
来年末までに、これはその領域で電子を上回る性能を発揮できる全光学コンピュータで満たされるでしょう。
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