De IO+ Week: De kracht van fotonica uitgelegd

Elke week publiceren we verhalen over het toenemende gebruik van fotonica in de hightechindustrie. Vorige week was uitzonderlijk vanwege de jaarlijkse PICSummit-conferentie: twee dagen waarop de wereldwijde fotonica-industrie in Eindhoven bijeenkomt. Als bezoeker van IO+ kun je dit niet gemist hebben. En hoewel we al sinds ons bestaan (11 jaar om precies te zijn) publiceren over fotonica, roept elk nieuw artikel vragen op over hoe deze technologie nu eigenlijk werkt. Voor de meeste van onze lezers lijkt fotonica nog steeds magisch, mistig of gewoon onbegrijpelijk. Als iemand met een niet-technische achtergrond (geschoold als historicus, werkzaam als journalist) begrijp ik dat volkomen. Dus... blijf bij me en laten we het eens proberen uit te leggen.

In principe gaat fotonica over het gebruik van licht in plaats van elektriciteit om informatie sneller, koeler en met minder energie te verzenden, te detecteren en te verwerken.

Maar er komt natuurlijk meer bij kijken. Bewust of niet, waarschijnlijk gebruik je zelf ook al elke dag fotonica-toepassingen, in bijvoorbeeld:

De glasvezelkabels die internetgegevens onder de oceaan en in je straat transporteren,
De laser die metaal snijdt of de cd-speler leest,
De camera in je telefoon en de sensor in je smartwatch,
De LiDAR die auto's helpt de weg te ‘zien’.
En natuurlijk... door gebruik te maken van clouddiensten die afhankelijk zijn van datacenters.

Net zoals elektronica elektronen (kleine geladen deeltjes) bestuurt en verplaatst, bestuurt en verplaatst fotonica fotonen (kleine lichtdeeltjes).

Hoe fotonica en elektronica samenwerken voor AI

Tijdens de PICSummit van deze week was dit een van de belangrijkste onderwerpen. Fotonica kan de AI-revolutie een boost geven: gegevens sneller verplaatsen, berekeningen efficiënter maken en het hele systeem veel minder energie laten verbruiken. In deze strijd zijn fotonica en elektronica geen vijanden, maar teamgenoten.

Elektronica is geweldig voor het verwerken en opslaan van informatie, maar kan warm en traag worden als er veel data zijn. Fotonica is geweldig voor het snel en efficiënt verplaatsen van informatie met behulp van licht.

De AI-revolutie: energieverslindende breinen

Kunstmatige intelligentie, met name de grote modellen die generatieve AI-systemen zoals ChatGPT en beeldgeneratoren aandrijven, vereist enorme rekenkracht. Die kracht betekent niet alleen “snelle processors”; het betekent ook het verplaatsen en verwerken van enorme hoeveelheden data.

Dit is het probleem:

De huidige AI-hardware draait op elektronische chips (zoals GPU's).
Deze chips gebruiken miljarden transistors om elektronen te verplaatsen.
Elke beweging van elektronen kost tijd, energie en warmte.

Resultaat: datacenters die AI-modellen trainen en uitvoeren, verbruiken al evenveel elektriciteit als sommige landen, en dat aantal stijgt explosief.

[Terzijde: we organiseren een eendaagse conferentie over het energieverbruik van AI en wat we daaraan kunnen doen. Kijk op Watt Matters in AI voor het programma en tickets]

photonics and electronic, heterogeneous integration

Waar fotonica om de hoek komt kijken

Fotonica kan een aantal van deze uitdagingen aanpakken door licht (fotonen) te gebruiken in plaats van elektriciteit (elektronen) om gegevens te verplaatsen en in sommige gevallen zelfs te verwerken.

1. Snellere gegevensverplaatsing

Licht reist met, inderdaad, de snelheid van het licht. In grote AI-systemen is het verplaatsen van gegevens tussen processors een belangrijk knelpunt. Fotonica vervangt trage, energieverslindende koperdraden door optische verbindingen die:

veel meer gegevens per seconde verzenden,
over langere afstanden (bijvoorbeeld tussen chips of servers),
met minder energieverlies en zonder warmteontwikkeling.

Dit wordt optische interconnecties genoemd, en bedrijven als NVIDIA, Intel en Ayar Labs wedijveren om deze in AI-datacenters te introduceren.

2. Energiezuinige berekeningen

Fotonica kan ook rekenen, niet alleen communiceren. In plaats van transistors te gebruiken om wiskundige berekeningen uit te voeren, maakt een photonic processor gebruik van het gedrag van licht zelf (interferentie, diffractie) om bewerkingen uit te voeren zoals matrixvermenigvuldigingen, de kern van neurale netwerken.

Deze fotonische neurale netwerken kunnen:

Bepaalde AI-berekeningen duizenden keren sneller uitvoeren,
veel minder stroom verbruiken,
parallel werken (omdat veel lichtstralen zonder interferentie naast elkaar kunnen bestaan).

Dit is cruciaal voor toekomstige edge AI, zoals die welke Axelera AI aan het bouwen is: intelligente apparaten (auto's, camera's, sensoren) die lokaal kunnen denken zonder afhankelijk te zijn van enorme clouddatacenters.

3. Integratie met elektronica

Fotonica zal elektronica niet vervangen; ze zullen worden samengevoegd. Zie het als een hybride brein:

Elektronica zorgt voor de besturing, het geheugen en de logica.
Fotonica zorgt voor de communicatie en zware parallelle wiskunde.

Deze combinatie wordt door onderzoekers “co-packaged optics” of “heterogene integratie” genoemd: het samenbrengen van op licht gebaseerde en elektronische circuits op één chip. Het is momenteel een enorme trend, met ecosystemen zoals PhotonDelta (de organisator van PICSummit), imec en ASML die werken aan de productietechnologieën om het schaalbaar te maken.

De energievergelijking

Waarom is dit belangrijk? Omdat als we AI blijven opschalen met traditionele elektronica, de wereldwijde energiebehoefte voor AI binnen tien jaar 10 tot 20 keer zo groot zou kunnen worden.

Fotonica biedt een manier om:

De energie voor gegevensverplaatsing met wel 90% te verminderen,
De koelingskosten in datacenters te verlagen,
Duurzame, schaalbare AI mogelijk te maken.

Let wel: fotonica kan het energieprobleem van AI niet in zijn eentje oplossen. Hiervoor is ook een andere houding van gebruikers nodig, en tal van andere hardware- en software-innovaties. Een daarvan, neuromorfisch computergebruik (het bouwen van computers die werken zoals het menselijk brein), zal verder worden besproken tijdens onze conferentie Watt Matters in AI.

Samenvattend:

Als elektronica de motor was van de digitale revolutie van de 20e eeuw,

dan is fotonica de turbocompressor van de 21e eeuw. Het maakt het internet sneller, AI energiezuiniger en helpt op gebieden als:

gezondheidszorg (op licht gebaseerde sensoren voor bloed of DNA),
landbouw (slimme camera's die gewassen analyseren),
datacommunicatie (snellere, energiezuinige verbindingen voor datacenters),
defensie en veiligheid (beveiligde communicatie, geavanceerde sensoren, GPS-vrije navigatie),
mobiliteit (LIDAR en optische gyroscopen voor autonome systemen),
kwantumcomputers (gebruik van afzonderlijke fotonen voor beveiligde communicatie).

Ik hoop dat dit helpt. Als je dit soort uitleg leuk vindt, laat het me dan weten, dan zullen we er meer van aanbieden in onze nieuwsbrief en de verhalen van IO+.

Maar er was natuurlijk nog meer te beleven vorige week.

Een selectie van andere hoogtepunten van deze week:

Elke dag een podcast

We blijven het zeggen: elke ochtend om 6.30 uur (op werkdagen) staat er een nieuwe podcast voor je klaar. Daarin bespreken onze AI-collega's Oliver en Shelby de twee interessantste onderwerpen van de dag. Dit maakt de IO+ Daily de ideale manier om je hoofd te vullen met optimistisch nieuws uit de wereld van innovatie en technologie. Morgen ook.

ioplus daily podcast trailer

Onze andere nieuwsbrieven

Bedankt voor het lezen van deze nieuwsbrief. Maar we hebben nog meer te bieden. Aanmelden is heel eenvoudig, bijvoorbeeld via het optieblok op de IO+ homepage.

Maar je kunt ook gewoon op je favoriete nieuwsbrief hieronder klikken:

IO+ Daily (1.200 leden)
Mauro's Green Corner (maandelijks, 13.800 leden)
Elcke's Saturday Data Dive (maandelijks, 20.550 leden)
Elcke en Mauro's BIO+ Bites (maandelijks, 29.300 leden)
Bart's Saturday CHIPS (maandelijks, 16.300 leden)

Geniet van deze zondag en vergeet niet dat er morgenochtend om 6.30 uur een nieuwe aflevering van IO+ Daily voor je klaarstaat. Wees voorbereid voordat je op je fiets springt!