Il computer ottico che batte la finanza: la Cina supera il muro dei 10 GHz

Viviamo nell’era dell’intelligenza artificiale, ma c’è un problema. Dalla chirurgia robotica al trading ad alta frequenza (HFT), i nostri sistemi moderni si basano sull’elaborazione di flussi di dati grezzi in tempo reale. Il punto è che i processori digitali convenzionali, i nostri cari vecchi chip elettronici, hanno il fiato corto. Stanno raggiungendo i loro limiti fisici. L’elettronica tradizionale non riesce più a ridurre la latenza o ad aumentare la produttività abbastanza velocemente per tenere il passo con le applicazioni odierne.

Che cos’è la latenza? è il tempo che impiega un pacchetto di dati ha trasferirsi su una rete o su un chip, il tutto misurato in millisecondi (ms). L’elettronica basata sul silicio e il rame ha raggiunto il proprio limite fisico.

E quando l’elettronica rallenta, si cerca una soluzione nella luce.

L’alba del calcolo ottico

I ricercatori si stanno rivolgendo al calcolo ottico – usare la luce (fotoni) invece dell’elettricità (elettroni) per gestire calcoli complessi – come la via maestra per aumentare drasticamente velocità ed efficienza.

Un approccio promettente coinvolge gli “operatori di diffrazione ottica“, strutture sottili simili a piastre che eseguono operazioni matematiche mentre la luce le attraversa. Questi sistemi possono elaborare molti segnali contemporaneamente (in parallelo) con un basso consumo energetico. Finora, però, c’è stato un grosso ostacolo: mantenere la luce stabile e “coerente”, necessaria per tali calcoli, a velocità superiori ai 10 GHz si è rivelato estremamente difficile.

O, meglio, si è rivelato difficile fino ad ora.

La soluzione cinese: OFE2

Un team guidato dal professor Hongwei Chen dell’Università di Tsinghua in Cina ha sviluppato un dispositivo innovativo noto come Optical Feature Extraction Engine (OFE2). Il loro lavoro, pubblicato su Advanced Photonics Nexus, dimostra un nuovo modo di eseguire l’estrazione di feature ottiche ad altissima velocità, adatto a molteplici applicazioni del mondo reale.

Il progresso chiave di OFE2 è il suo innovativo modulo di preparazione dei dati. Uno dei problemi più spinosi in questo campo è fornire segnali ottici paralleli e veloci ai componenti ottici senza perdere la stabilità di fase. I sistemi basati su fibra, ad esempio, introducono fluttuazioni indesiderate. Il team di Tsinghua ha risolto il problema progettando un sistema completamente integrato su chip con splitter di potenza regolabili e linee di ritardo precise.

Questo setup converte i dati seriali in più canali ottici sincronizzati, pronti per essere elaborati. Una volta preparati, i segnali passano attraverso l’operatore di diffrazione che esegue l’effettiva estrazione delle caratteristiche. Il processo è simile a una moltiplicazione matrice-vettore, dove le onde luminose interagiscono per creare “punti luminosi” focalizzati in punti di uscita specifici.

OFE2 potenzia l’estrazione di caratteristiche ad alta velocità. (a) Gli OFE2 facilitano l’allocazione flessibile per soddisfare le esigenze multitasking introdotte da scene diverse, consentendo funzioni quali l’estrazione di caratteristiche, la generazione di azioni e il riconoscimento di categorie. POC, accoppiatore ottico programmabile. (b) Schema dell’OFE2 integrato. X1∼3, splitter di potenza sintonizzabile; Φ, array di regolazione di fase; O1 e O2, porte di uscita dell’OFE2. (c) Immagine al microscopio elettronico dell’operatore di diffrazione e della sua distribuzione del campo ottico. (d) Immagine al microscopio ottico del chip dell’OFE2, annotata con le strutture corrispondenti, tra cui X1∼3 e Φ. (e) Processo di saldatura con filo d’oro. (f) Prototipo dell’OFE2, con pin di ingresso, uscita e polarizzazione etichettati. (da Advanced Photonics Nexus)

Prestazioni da record e la “Killer App”

Veniamo ai numeri, perché sono quelli che contano. Operando a un impressionante 12.5 GHz, OFE2 esegue una singola moltiplicazione matrice-vettore in soli 250.5 picosecondi. Ad oggi, è il risultato più veloce conosciuto per questo tipo di calcolo ottico.

Il team di ricerca ha testato OFE2 in diversi ambiti.

1. Elaborazione di immagini: Ha estratto con successo i bordi e le caratteristiche da dati visivi (ad esempio, l’identificazione di organi nelle scansioni TC). I sistemi che utilizzano l’OFE2 come pre-processore hanno richiesto meno parametri elettronici rispetto ai modelli AI standard, rendendo le reti AI ibride più veloci ed efficienti.
2. Trading digitale (HFT): E qui veniamo al punto più interessante. Il team ha applicato OFE2 al trading ad alta frequenza, dove ha elaborato dati di mercato live per generare azioni redditizie di acquisto e vendita. Dopo essere stato addestrato, OFE2 ha convertito i segnali di prezzo in arrivo direttamente in decisioni di trading, ottenendo rendimenti costanti.⁵

Il vantaggio è ovvio: poiché questi calcoli avvengono letteralmente alla velocità della luce, i trader possono agire sulle opportunità con un ritardo quasi nullo. Nel mondo della finanza ad alta frequenza, dove la latenza si misura in milionesimi di secondo e un picosecondo di vantaggio vale milioni, questa è una rivoluzione.

Più veloci, ma anche più efficienti

Non si tratta solo di velocità, ma anche di efficienza. Spostare le parti più esigenti dell’elaborazione AI da chip elettronici affamati di energia a sistemi fotonici fulminei apre una nuova era di AI a basso consumo.

Ecco alcuni dati tecnici chiave sull’efficienza del chip OFE2:

Il professor Chen è fiducioso: “Crediamo fermamente che questo lavoro fornisca un punto di riferimento significativo per far progredire il calcolo a diffrazione ottica integrata oltre i 10 GHz nelle applicazioni del mondo reale”.

In sintesi, stiamo assistendo alla nascita di una tecnologia che non solo supera i limiti fisici dell’elettronica, ma lo fa consumando molta meno energia. E il fatto che una delle prime applicazioni testate con successo sia la finanza digitale la dice lunga su dove si dirigerà questa potenza di calcolo.

Domande e Risposte

Perché questo chip ottico è così rivoluzionario rispetto ai chip normali?

La differenza fondamentale è tra elettroni ed fotoni (luce). I chip elettronici tradizionali spostano elettroni attraverso il silicio, un processo che genera calore, consuma energia e incontra colli di bottiglia fisici (latenza). I chip ottici usano la luce, che viaggia quasi istantaneamente e su più canali contemporaneamente (parallelismo). L’OFE2 non solo è veloce (12.5 GHz), ma esegue calcoli in 250.5 picosecondi. Per l’AI e il trading, che richiedono calcoli matriciali complessi, è un salto generazionale in termini di velocità e latenza.

Qual è il vero vantaggio nel trading ad alta frequenza (HFT)?

Nel HFT, il profitto dipende dalla velocità.⁶ Gli algoritmi combattono su differenze di microsecondi (milionesimi di secondo) per eseguire un ordine prima di un concorrente. L’OFE2 opera in picosecondi (millesimi di miliardesimo di secondo). Usando la luce per calcolare le decisioni di acquisto/vendita, elimina quasi completamente la latenza di calcolo. Permette a un trader di “vedere” un’opportunità di mercato e agire prima che il resto del mercato abbia finito di elaborare la stessa informazione. È l’equivalente di avere la risposta prima che gli altri abbiano capito la domanda.

Questa tecnologia servirà solo a banche d’affari e trader?

Assolutamente no. Il trading ad alta frequenza è solo la “killer application” che dimostra la sua potenza in termini di latenza zero. Il team di Tsinghua l’ha testato con successo anche nell’elaborazione di immagini mediche (scansioni TC), migliorando l’accuratezza e l’efficienza dei modelli AI.⁷ Qualsiasi campo che richiede l’analisi di enormi flussi di dati in tempo reale – come la guida autonoma, la diagnostica medica assistita dall’AI, la robotica industriale o le telecomunicazioni di prossima generazione – beneficerà enormemente di questa tecnologia più veloce ed efficiente.

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