Fotoninen tietojenkäsittely askeltaa kohti toteutumista

Äskettäin kaksi yritystä on esitellyt fotoniprosessoreja, jotka ottavat askeleita kohti fotonista tietojenkäsittelyä.

Singaporelaisen fotoniikan laskentayrityksen Lightintelligencen tutkijoiden rakentama laitteisto ratkaisee vaikeat optimointiongelmat nopeammin kuin perinteiset prosessorit. Kalifornialainen Lightmatter käyttää puolestaan moderneja tekoäly (AI) -malleja suurella tarkkuudella ja korkealla energiatehokkuudella.

Valosignaalit eivät häiritse toisiaan kuten sähköiset signaalit, joten fotoniikkaan perustuvat järjestelmät voivat käsitellä useita laskelmia samanaikaisesti. Analogiset fotonitietokoneet ovat kuitenkin kohisevia, eivätkä tutkijat ole vielä integroineet niitä tavallisiin tietokonejärjestelmiin vuosikymmenen yrityksistä huolimatta.

Bo Pengin johtama Lightintelligence-tiimi rakensi sirun nimeltä Photonic Arithmetic Computing Engine (PACE), joka yhdistää fotoniset komponentit elektronisiin piireihin. Siru on suunniteltu ratkaisemaan optimointiongelmia jäljittelemällä Isingin spin-mallina tunnettua fyysistä mallia. Ising-mallissa muuttujat (tai "spinit") on järjestetty kuvioon ja ne ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa tavalla, joka suosii spinien vähäenergiaistä ​konfiguraatioita.

Monet todelliset ongelmat, kuten kuvansovitus ja verkon osiointi, voidaan kehystää tällaisen järjestelmän alhaisimman energian tilan löytämiseksi.

Menetelmällään Lightintelligence-tiimi rekonstruoi sumean kissan kuvan ja ratkaisi optimointiongelmat 500 kertaa nopeammin kuin nykyaikaiset grafiikkasuoritusyksiköt (GPU).

Demonstraatio osoittaa, että voit saavuttaa vaikuttavan suuria laskentanopeuksia optiikan rinnakkaisuudella, sanoo Dirk Englund, MIT:n tietojenkäsittelytieteilijä, joka ei ollut mukana kummassakaan tutkimuksessa. "Luvut ovat varsin vakuuttavia, ja tämä voi olla vasta alkua."

Lightmatterin järjestelmä käsittelee laajempia tehtäviä ja se voi käyttää tavallisia tekoälymalleja, käyttämällä fotonitensoriytimiä - erikoistuneita laskentayksiköitä, jotka käyttävät valoa sähkön sijasta matriisi-vektorikertomien suorittamiseen. Näitä ytimiä ohjataan sitten elektronisilla liitäntäsiruilla.

Yksi nykyisten tekoälyjärjestelmien vakavimmista pullonkauloista ei ole laskennan nopeus, vaan datan siirtämisen viive ja energiakustannukset prosessorien välillä. Joten Lightmatter suunnitteli digitaalisen liitäntäsirun, joka sopii yhteen fotonitensoriytimien kanssa, mikä mahdollistaa nopean ja tehokkaan viestinnän komponenttien välillä.

Fotoninen laskenta kohtaa edelleen haasteita, kuten analogista kohinaa, integraatiovaikeuksia ja tiedon siirtämisen sirujen välillä korkeat energiakustannukset. Englund sanoo, että nämä kaksi tulosta osoittavat, että fotoninen laskenta on vihdoin astumassa ulos laboratoriosta ja muuttumassa todelliseksi merkitykseksi, ja fotoniikka voi ratkaista hyvin erilaisia ongelmia kullekin räätälöityjen arkkitehtuurien avulla.

Nämä kaksi uutta esittelyä osoittavat, että fotoniprosessorit voivat nyt skaalata, toimia luotettavasti ja suorittaa reaalimaailman tehtäviä. "Se on uskomaton harppaus", Englund sanoo. "Katsoin paperia, jonka julkaisimme kahdeksan vuotta sitten, ja on hämmästyttävää, kuinka paljon edistystä on tapahtunut."

Aiheesta aiemmin:

Harppaus kohti valon nopeita tietokoneita

Polarisaatiota hyödyntävä fotoninen prosessori

Analyysi älykkään nanofotoniikan nykytilasta