Skaalautuva fotoninen lineaarinen vektorikone

Tekoäly on tällä hetkellä aktiivinen aihe sekä tieteellisessä tutkimuksessa että kaupallisissa sovelluksissa ja jokapäiväisessä elämässä. Aiheen parissa korkean ulottuvuuden vektorien lineaariset operaatiot ovat perustavanlaatuisia ja hallitsevia.

Nykyisen fotonisen lineaarisen toiminnan dimensionaalisuus on kuitenkin rajallinen ja vaikea parantaa optisen matriisitoiminnan ja digitaali-analogiamuunnosten toteuttamiseen tarvittavien monimutkaisen säteiden vuorovaikutuksien vuoksi.

Uudessa tiedeartikkelissa Tsinghuan yliopiston professori Yidong Huangin johtama tiedemiesryhmä ja heidän yhteistyökumppaninsa Pekingin yliopistosta, Berxel Photonics Company Ltd:stä ja Shenzhenin teknologiayliopistosta ovat ehdottaneet Suapan- eli helmitaulumaista arkkitehtuuria optiselle sisätulolle optisten matriisioperaatioiden sijaan.

Aivan kuten integroidun piirin transistorit, tällaisen järjestelmän itsenäinen peruslaskentayksikkö sisältää vain yhden emitteri-detektoriparin, ja sitä voitaisiin skaalata fotonisen laskentapiirin muodostamiseksi.

Kahden vektorin alkuainearvot koodataan valonlähettimien lähtöintensiteettiin ja fotodetektorien (PD) fotoreaktiivisuuteen upouudella bittikoodaus- ja analogiailmaisumenetelmällä ilman laajamittaisia ADC- tai DAC-matriiseja. PD:n fotovirta olisi verrannollinen valonintensiteetin ja fotoreaktiivisuuden kertolaskuun, ja sisätulon lopputulos voidaan saada laskemalla yhteen kaikki fotonivirrat.

Koska kaikkien emitteri-detektoriparien etenevien valonsäteiden välillä ei ole vuorovaikutusta äärimmäinen skaalautuvuus voidaan saavuttaa yksinkertaisesti lisäämällä emitteri-detektoripareja ilman lisähäviöitä tai -virheitä, ja se on myös joustavasti uudelleenkonfiguroitavissa ja ohjelmoitavissa eri laskennallisia tehtäviä varten.

Ehdotettu arkkitehtuuri on saanut inspiraationsa perinteisestä kiinalaisesta Suanpanista eli abakuksesta, ja sitä kutsutaan siksi fotoniseksi Suanpaniksi.

Periaatetodistuksena arkkitehtuuri on toteutettu käyttämällä 8×8 pystysuoraa ontelopintaemissiolasermatriisia (VCSEL) ja 8×8 MoTe2 kaksiulotteista (2D) materiaalista valmistettua PD-matriisia.

Kokeessa satunnaisvektorien sisätulon laskentatarkkuus voi olla jopa >98 % eri bittitarkkuuksilla (2-bittinen, 4-bittinen ja 8-bittinen) ja >95 % eri vektoriulotteisuuksilla (@4-bittinen tarkkuus). Lisäksi tällainen toteutus on onnistuneesti konfiguroitu uudelleen suorittamaan kaksi tyypillistä tekoälytehtävää, Ising-koneen ja tekoälyverkon (ANN).

Tutkijat uskovat fotonisen Suanpanin pystyvän toimimaan perustavanlaatuisena lineaarisena vektorikoneena ja sillä on potentiaalia parantaa laskentatehoa tulevaisuuden erilaisissa tekoälysovelluksissa.

Aiheesta aiemmin:

Fotoninen tietojenkäsittely askeltaa kohti toteutumista

Akustiikka vauhdittamaan fotonista laskentaa

Sisäistä laskentaa optisessa muistissa