8 Minutės
Šviesa varomas skaičiavimas sprendžia dirbtinio intelekto energetikos krizę
Dirbtinis intelektas (DI) skatina greitą skaičiavimo paklausos plėtrą moksle, pramonėje ir kasdienėse programose — nuo palydovinių vaizdų analizės iki balso asistentų ir autonominių sistemų. Tačiau šis augimas reiškia ir didėjantį energijos sąnaudų sąskaitą: ypač dideli neuroniniai tinklai ir konvoliuciniai sluoksniai reikalauja milžiniško dauginimo-ir-sumavimo operacijų skaičiaus, kas virsta dideliu energijos vartojimu duomenų centruose ir periferiniuose įrenginiuose. Floridos universiteto tyrėjai pristato potencialiai novatorišką sprendimą: silicio fotoninį lustą, atliekančią konvoliucijų operacijas naudojant lazerinę šviesą ir įrėžtas mikrolęšes, pasiūlantį kartais mažesnes energijos sąnaudas pagrindiniams DI inferencijos uždaviniams.
Naujai sukurtas silicio fotoninis lustas paverčia šviesa užkoduotus duomenis į akimirksniu gautus konvoliucijų rezultatus. Kreditas: H. Yang (University of Florida)
Darbas, paskelbtas žurnale Advanced Photonics ir pristatytas per SPIE 2025 m. rugsėjo 9 d., demonstruoja prototipą, kuris atlieka konvoliucinius skaičiavimus ant lusto: elektriniai signalai paverčiami optiniais raštais, šie modeliai formuojami mikroskopinėmis Fresnelio lęšėmis, o gauti interferencijos raštai vėl konvertuojami į skaitinius rezultatus. Tyrėjų komanda praneša apie beveik lygiavertį tikslumą lyginant su tradicinėmis elektroninėmis įgyvendinimo versijomis, tuo pačiu sumažindama pagrindinės operacijos energijos suvartojimą iki kelių dešimčių kartų — tai gali ženkliai sumažinti DI inferencijos energijos pėdsaką tiek duomenų centruose, tiek energijos ribotose platformose, tokiose kaip palydovai ir robotai.
Mokslinis kontekstas: kodėl konvoliucija svarbi DI
Konvoliuciniai veiksmai yra esminiai daugeliui mašininio mokymosi modelių, ypač konvoliuciniams neuroniniams tinklams (CNN), naudojamiems vaizdinių modelių atpažinimui, objektų aptikimui ir kitiems percepcijos uždaviniams. Konvoliucija taiko mažą filtrą (branduolį) per įvesties reikšmių masyvą (pvz., pikselius) ir skaičiuoja svorinius suminius, atskleidžiančius vietines ypatybes, tokias kaip briaunos ar tekstūros. Daugelio konvoliucijų vykdymas per daugelį sluoksnių sukuria funkcijų žemėlapius, leidžiančius tinklams mokytis hierarchinių reprezentacijų. Tačiau kiekviena konvoliucija yra skaičiavimo prasme brangi, kai ji įgyvendinama elektroniniu būdu, nes reikalauja daug dauginimo-ir-sumavimo operacijų, vykdomų paeiliui arba didelėmis tranzistorių masyvo konfigūracijomis.
Optinė kompiuterija siūlo alternatyvą: šviesa natūraliai interferuoja ir difraguoja, atliekant tiesines transformacijas laisvoje erdvėje ar vadovaujamuose struktūrose su minimaliais energijos nuostoliais. Ypač optinės lęšės ir difrakciniai elementai gali įgyvendinti tiesines transformacijas (įskaitant konvoliucijas) formuodami fazę ir amplitude. Panaudojus šias fizines savybes ant silicio platformos — pagrindinės puslaidininkių pramonės — atsiveria kelias link didelio pralaidumo ir mažos energijos DI aparatūros, suderinamos su esamais gamybos srautais.
Kaip veikia fotoninį konvoliucijų lustas
Floridos universiteto prototipas integruoja optinius komponentus tiesiogiai ant silicio substrato, naudojant puslaidininkių gamybos technologijas. Svarbiausi elementai ir žingsniai vieno inferencijos praeigos metu apima:
Duomenų kodavimas ir optinė projekcija
- Įvesties duomenys (pvz., mažas vaizdo lopinėlis arba pikselių intensyvumų vektorius) užkoduojami į šviesos laukas moduliuojant lazerio šaltinius arba naudojant ant lusto esančius moduliatorius.
- Vienu metu galima naudoti kelis lazerio spindulius, kiekvieną skirtingos bangos ilgio, leidžiant lygiagrečiai apdoroti kelis duomenų srautus per bangos ilgio dalijimosi (wavelength-division multiplexing) metodą.
Ant lusto esantys Fresnelio lęšiai kaip skaičiavimo elementai
- Luste naudojamos dvi mikroskopinių Fresnelio lęšių sekos: itin ploni difraktiniai lęšių dariniai, kurie fokusuodami ir formuodami šviesą atstoja gerokai didesnę išgaubtą optiką.
- Šie lęšiai yra suprojektuoti tiesiai į silicį ir yra siauresni už žmogaus plauko storį. Jų difraktinis elgesys atlieka konvoliucijai panašią tiesinę transformaciją, kai užkoduota šviesa sklinda per optinę grandinę.
Aptikimas ir skaitmeninimas
- Praėjus šviesai per lęšių struktūras ir susidarius interferencijos vaizdams, ant lusto esantys fotodetektoriai konvertuoja optinius intensyvumo raštus atgal į elektrinius signalus.
- Elektriniai išėjimai vėliau apdorojami tradicine elektronika, užbaigiant inferencijos operaciją (aktyvacijos funkcijos, pooling, klasifikacijos sluoksniai ir kt.).
Šis sekos etapas atlieka dauginimo-ir-sumavimo operacijų sunkiąją dalį optinėje srityje, kur sklaida ir difrakcija sukelia menkas energijos sąnaudas, palyginti su elektroniniu dauginimu.
Eksperimentiniai rezultatai, tikslumas ir mastelio keitimas
Laboratoriniuose bandymuose prototipas atliko vaizdų klasifikacijos užduotis, pavyzdžiui, atpažinant ranka rašytus skaitmenis, su maždaug 98 % tikslumu — tai prilygsta vien elektronine technika pasiekiamiems rezultatams naudojant tą pačią tinklo architektūrą ir duomenų rinkinį. Esminė detalė: autoriai praneša, kad optinė konvoliucijų stadija veikia beveik su nulinėmis papildomomis energijos sąnaudomis, palyginti su ekvivalentinėmis elektroninėmis dauginimo-ir-sumavimo grandinėmis, kas leidžia sumažinti energijos vartojimą apie 100× konvoliucijomis intensyviose inferencijos dalyse.
Komanda taip pat demonstravo bangos ilgio daugiklį: injekuodami skirtingų spalvų lazerinę šviesą per tas pačias lęšių struktūras, lustas vienu metu apdorodavo kelis branduolius be proporcingo energijos sąnaudų ar ploto didinimo. Ši spektrinė lygiagreta yra įgimta fotonikai ir suteikia kelią didinti pralaidumą nepasitelkiant tradicinio tranzistorių skalavimo.
Tačiau prototipas yra ankstyvos stadijos įrenginys. Yra iššūkių integruojant fotoninius konvoliucinius sluoksnius į pilno masto neuroninių tinklų akceleratorius, tokių kaip: aukštos kokybės ant lusto moduliatoriai ir detektoriai, triukšmo ir kryžminio kalbėjimo valdymas, optinių ir elektroninių sąsajų suvedimas bei programiškumo ir rekonfigūruojamumo palaikymas skirtingiems branduoliams ir tinklo topologijoms. Konversijos žingsniai (elektrinis-į-optinį ir optinis-į-elektrinį) taip pat įveda delsą ir nereikšmingą, bet ne nulinę energetinę nuostolą, kurią reikia optimizuoti dėl bendrų sistemos pranašumų.
Pasekmės ir galimos taikymo sritys
Jeigu technologija subręs ir bus masiškai gaminama, silicio fotoniniai konvoliucijų moduliai galėtų pakeisti, kur ir kaip vykdoma DI inferencija. Galimi poveikiai apima:
- Duomenų centrų energijos mažinimas: konvoliucijomis intensyvūs sluoksniai perleidžiami optinei aparatūrai, kas gali žymiai sumažinti debesijos inferencijos ūkio veiklos energijos sąnaudas.
- Periferinė ir kosminė DI: lengvi, mažos energijos fotoniniai akceleratoriai yra patrauklūs palydovams, planetų zondams ir tolimosios žvalgybos platformoms, kur energijos ir terminės sąnaudos yra ribotos.
- Realaus laiko įterptinės sistemos: robotika, autonominiai automobiliai ir dronai galėtų pasinaudoti didesniu pralaidumu ir mažesnėmis energijos sąnaudomis vaizdo ir lidar apdorojimui.
Tyrėjai pabrėžia suderinamumą su standartine puslaidininkių gamyba, kas gali palengvinti priėmimą esamiems lustų gamintojams ir foundrijoms. Jie taip pat atkreipia dėmesį, kad įmonės, jau naudojančios optines sąsajas ar optinius koprocesorius specializuotose DI architektūrose, galėtų įtraukti fotoninius konvoliucijų vienetus į hibridinius optoelektroninius akceleratorius.
Eksperto įžvalga
Dr. Samuel Kim, vyresnysis fotonikos inžinierius, turintis 15 metų patirtį kosminėje instrumentacijoje, pateikia perspektyvą: "Šis darbas žengia pirmyn praktinėje difraktinės optikos integracijoje tiesiogiai į silikoną, kas yra esminis žingsnis. Kosminėms ir nuotolinėms sistemoms sumažinti energijai, tenkančiai vienam inferencijos veiksmui, dviem eilėms yra transformacinis — tai leistų vykdyti sudėtingesnę analizę palydove nenorinant pridėti papildomų saulės baterijų ar radiatorių. Pagrindiniai iššūkiai, kuriuos matau, yra atsparumo radiacijai ir temperatūros svyravimams užtikrinimas bei programiškai rekonfigūruojamos architektūros sukūrimas, kad aparatinė įranga galėtų palaikyti įvairius modelius lauke."
Dr. Kim priduria, kad bangos ilgio dauginimas yra ypač perspektyvus: "Dauginimas išnaudoja dimensiją, kurios elektronika negali lengvai pasiekti. Jei paketavimas ir daugbangio šviesos šaltiniai taps kompaktiški ir patikimi, pralaidumas galėtų augti tokiu būdu, kuris papildytų Moore'o dėsnį DI darbo krūviams."
Susijusios technologijos ir ateities perspektyvos
Fotoninės konvoliucijos prieiga dera į platesnį optinės ir hibridinės kompiuterijos tyrimų ekosistemą. Susijusios kryptys apima: integruotus Mach–Zehnder interferometro tinklus matricinių-vektorių dauginimui, difraktinius giliuosius neuroninius tinklus, pagamintus kaip laisvos erdvės optika, ir ant lusto fotoninės atminties koncepcijas. Kiekvienas požiūris balansuoja skirtingus kompromisus programiškume, tikslume, užimte plote ir energijos efektyvume.
Progresas puslaidininkių fotonikoje — stipresni moduliatoriai, mažesni nuostoliai bangolaidžiuose, kompaktiški daugbangiai lazerių šaltiniai ir integruoti fotodetektoriai — nulems, kaip greitai optiniai kompiuterijos komponentai pereis nuo prototipų prie komercinių akceleratorių. Akademijos, nacionalinių laboratorijų ir pramonės (įskaitant tiekėjus, kurie jau taiko optinius elementus DI sistemose) bendradarbiavimas bus svarbus techninių spragų užpildymui ir gamybos grandinių kūrimui.
Apribojimai ir neatviri klausimai
Lieka keletas techninių ir sistemos lygmens nežinomųjų:
- Tikslumas ir triukšmas: optinio intensyvumo kodavimas yra jautrus detektoriaus triukšmui ir ribotam dinaminiam diapazonui, kas gali paveikti skaitinį tikslumą giliesiems tinklams ar apmokymo užduotims.
- Programiškumas: daug tinkluose naudojamų konvoliucinių branduolių mokomi treniruočių metu ir gali reikalauti dažnų atnaujinimų. Optiniai elementai turi palaikyti rekonfigūruojamumą arba būti derinami su programiškai valdomais elektroniniais sluoksniais.
- Sistemos integracija: hibridiniai opto-elektroniniai sprendimai reikalauja efektyvių sąsajų ir programinės įrangos stogų bendro projektavimo, kad užduotys būtų paskirstytos optimaliai.
- Gyvavimo ciklas ir patikimumas: diegiant atšiaurioje aplinkoje (kosmose, pramonėje), fotoniniai įrenginiai turi atitikti griežtus patikimumo standartus.
Šių temų sprendimas bus tolimesnių tyrimų ir pramoninės plėtros fokusas.
Išvados
Floridos universiteto silicio fotoninis konvoliucijų lustas parodo patrauklų kelią, kaip reikšmingai sumažinti energijos sąnaudas pagrindinei DI operacijai pasinaudojant šviesa. Įrėžus mikroskopines Fresnelio lęšes į silikoną ir užkoduojant duomenis lazeriniais spinduliais, prototipas atlieka konvoliucines transformacijas su konkurencingu tikslumu ir žymiai mažesnėmis energijos sąnaudomis optinėje stadijoje. Bangos ilgio dauginimas ir suderinamumas su puslaidininkių gamyba sustiprina argumento naudą platesniam priėmimui.
Nors praktiniam diegimui reikia išspręsti programiškumo, integracijos ir patikimumo iššūkius, darbas pabrėžia perspektyvią optinę strategiją, leidžiančią plėsti DI galimybes neproporcingai nepridėjus energijos vartojimo. Energijos ribotose sistemose — nuo periferinių įrenginių iki palydovų ir didelio masto duomenų centrų — ant lusto pagrįsta fotonika gali tapti esminiu įrankiu kitoje DI aparatūros inovacijų bangoje.
Šaltinis: sciencedaily
Komentarai