Valoisampaa tietojenkäsittelyä

Kahdeksankymmentä vuotta sitten Pennin tutkijat J. Presper Eckert ja John Mauchly aloittivat elektronisen laskennan aikakauden valjastamalla elektronit ratkaisemaan monimutkaisia numeerisia ongelmia ENIACin, maailman ensimmäisen yleiskäyttöisen elektronisen tietokoneen, avulla.

Nykyään sama arkkitehtuuri on edelleen yleisen laskennan perusta, mutta elektronit alkavat osoittaa rajoituksensa. Koska ne kantavat varausta, ne menettävät energiaa lämpönä, kohtaavat vastusta liikkuessaan materiaalien läpi ja niitä on vaikeampi hallita, kun siruihin sisältyy enemmän transistoreita ja ne käsittelevät suurempia datamääriä.

Koska tekoäly pakottaa nykyajan laitteiston prosessoimaan, liikuttamaan ja jäähdyttämään enemmän, Pennin fyysikot, joita johtaa Bo Zhen, etsivät elektronin massatonta vastinetta, fotonia, joka voisi kantaa suuremman osan kuormasta.

”Koska fotonit ovat varausneutraaleja ja lepomassaltaan nolla, ne voivat kuljettaa informaatiota nopeasti pitkiä matkoja minimaalisella häviöllä, mikä on viestintäteknologian hallitseva tekijä”, selittää Li He tutkimusartikkelin ensimmäinen kirjoittaja. ”Mutta tämä neutraalius tarkoittaa, että ne tuskin vuorovaikuttavat ympäristönsä kanssa, mikä tekee niistä huonoja tietokoneiden tarvitsemassa signaalinvaihtologiikassa.”

Bo Zhenin tiimi on nyt luonut kvasihiukkasen, joka "yhdistää valonnopeuden aineen voimakkaisiin vuorovaikutuksiin". Nämä kvasihiukkaset eli eksitonipolaritonit valmistetaan kytkemällä fotoneja elektroneihin atomaarisen ohuessa puolijohteessa, jolloin valo voi vuorovaikuttaa riittävän voimakkaasti laskennassa tarvittavaa signaalinvaihtoa varten.

Edistysaskel voi olla erityisen tärkeä tekoälylle.

Monet fotoniset tekoälysirut pystyvät jo suorittamaan suoraviivaisia laskelmia valon avulla, Zhen sanoo, mutta epälineaaristen aktivointivaiheiden, kuten päätössääntöjen soveltamisen, suorittamiseksi niiden on silti muunnettava valosignaalit takaisin hitaammiksi ja energiaa kuluttaviksi elektronisiksi signaaleiksi.

Nuo toistuvat siirtymät heikentävät fotonisen laskennan houkuttelevuutta ja nopeutta. Käyttämällä eksitoni-polaritoneja tiimi osoitti, että pelkästään valoa käyttävä kytkentä tapahtuu noin neljän joulen kvadriljoonasosan energialla, mikä on poikkeuksellisen pieni energiamäärä.

Skaalautuessaan alusta voisi auttaa fotonisiruja käsittelemään valoa suoraan kameroista, vähentämään suurten tekoälyjärjestelmien tehonkulutusta ja tasoittamaan tietä sirujen peruskvanttilaskennan ominaisuuksille.

Aiheesta aiemmin:

Valon ja aineen vuorovaikutuksia nanotasolla

Valoa laserin kaltaisilla ominaisuuksilla

Tietojenkäsittelyn tehonkulutuksen alarajalle