8 Minuten
Šviesa varomas skaičiavimas sprendžia dirbtinio intelekto energijos krizę
Dirbtinis intelektas skatina spartų skaičiavimo poreikio augimą moksle, pramonėje ir kasdienėse taikomosiose srityse — nuo palydovų vaizdų analizės iki balso asistentų ir autonominių sistemų. Tačiau šis augimas lydimas didėjančių energijos sąnaudų: ypač dideli neuroniniai tinklai ir konvoliuciniai sluoksniai reikalauja milžiniško daugybos‑sumavimo (multiply‑accumulate) operacijų skaičiaus, kas verčiasi į didelį galios suvartojimą duomenų centruose ir periferiniuose įrenginiuose. Floridos universiteto tyrėjai praneša apie potencialiai trikdančią prieigą: silicio fotonikos lustą, kuris atlieka konvoliucines operacijas naudodamas lazerio šviesą ir išgraviruotas mikrolęšes, siūlydamas eilės dydžio energijos taupymą svarbioms DI inferencijos užduotims.
Naujai sukurta silicio fotonikos mikroschema paverčia į šviesą užkoduotus duomenis į momentinius konvoliucijos rezultatus. Credit: 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 mikroschemoje: elektrinius signalus paverčia optiniais raštais, manipuliuoja šviesa per mikroskopines Fresnelio lęšių struktūras, o susidariusias interferencines formas konvertuoja atgal į skaitmeninius rezultatus. Tyrėjų grupė praneša apie beveik tokį pat tikslumą, kaip ir tradiciniai elektroniniai sprendimai, tačiau optinė fazė sumažina pagrindinei operacijai reikalingą energiją iki dviejų eilės dydžių — tai gali žymiai sumažinti DI inferencijos energijos pėdsaką tiek duomenų centruose, tiek energiją ribojančiose platformose, pavyzdžiui, palydovuose ir robotuose.
Mokslinis fonas: kodėl konvoliucija svarbi DI
Konvoliucinės operacijos yra pagrindinės daugelyje mašininio mokymosi modelių, ypač konvoliuciniuose neuroniniuose tinkluose (CNN), naudojamuose vaizdų atpažinimui, objektų aptikimui ir kitiems perceptualiniams uždaviniams. Konvoliucija perkelia mažą filtrą (branduolį) per įvesties reikšmių masyvą (pavyzdžiui, pikselius) ir skaičiuoja svertines sumas, kurios atskleidžia vietines savybes, tokias kaip briaunos ir tekstūros. Daug konvoliucijų per daug sluoksnių sukuria savybių žemėlapius, leidžiančius tinklams mokytis hierarchinių vaizdinių reprezentacijų. Tačiau kiekviena konvoliucija elektroniniu būdu yra skaičiavimų rezursų reikalaujanti operacija, nes reikia daug daugybos‑sudėties operacijų, vykdomų nuosekliai arba didelėse tranzistorių masyvuose.
Optinis skaičiavimas siūlo alternatyvą: šviesa natūraliai interferuoja ir difraguoja, atliekant linijines transformacijas laisvoje erdvėje ar valdomose struktūrose su minimaliais energijos nuostoliais. Ypač optiniai lęšiai ir difrakciniai elementai gali įgyvendinti linijines transformacijas (įskaitant konvoliucijas) formuodami fazę ir amplitudę. Šių fizinių savybių išnaudojimas silicio platformoje — pagrindinėje puslaidininkių pramonės bazėje — atveria kelią aukštos pralaidumo, mažos energijos DI aparatūrai, kurią būtų galima integruoti esamais gamybos srautais.
Kaip veikia fotoninė konvoliucijų mikroschema
Floridos universiteto prototipas tiesiogiai integruoja optinius komponentus ant silicio substrato pasitelkiant puslaidininkių gamybos technologijas. Pagrindiniai elementai ir žingsniai vieno inferencijos ciklo metu apima:
Duomenų kodavimas ir optinė projekcija
- Įvesties duomenys (pvz., mažas vaizdo fragmentas arba pikselių intensyvumo vektorius) koduojami į šviesos laukus moduliuojant lazerio šaltinius arba naudojant ant lustų esančius moduliatorius.
- Galima vienu metu naudoti kelis lazerio spindulius, kiekvieną skirtingos bangos ilgio, taip leidžiant lygiagretų kelių duomenų srautų apdorojimą per bangos ilgio padalijimo (wavelength‑division multiplexing) metodiką.
Ant lusto esančios Fresnelio lęšės kaip skaičiavimo elementai
- Luste naudojamos dvi mikroskopinių Fresnelio lęšių grupės: itin plonos, difraktinės lęšių struktūros, kurios fokusuoja ir formuoja šviesą atliekančią didesnių išgaubtų optinių elementų funkcijas.
- Šios lęšės yra užrašytos tiesiai į silikoną ir siauresnės už žmogaus plauko storį. Jų difraktinis elgesys atlieka konvoliucijai artimą linijinę transformaciją, kai užkoduota šviesa sklinda per optinį traktą.
Aptikimas ir skaitmeninimas
- Po to, kai šviesa praeina per lęšių struktūras ir interferuoja, kad sukurtų norimą transformuotą bangfrontą, ant lusto esantys fotodetektoriai paverčia optines intensyvumo formas atgal į elektrinius signalus.
- Elektriniai išėjimai tuomet apdorojami tradicinės elektronikos, užbaigiant inferencijos operaciją (aktyvavimo funkcijos, pooling, klasifikacijos sluoksniai ir kt.).
Ši sekcija perkelia daugybos‑sumavimo (multiply‑accumulate) sunkų darbą į optinę sritį, kur sklidimas ir difrakcija sukelia beveik nereikšmingas energijos sąnaudas, palyginti su elektronine daugyba.
Experimental results, accuracy and scalability
Laboratoriniuose bandymuose prototipas atliko vaizdų klasifikavimo užduotis, pvz., ranka rašytų skaitmenų atpažinimą, su maždaug 98 % tikslumu — tai panašu į tik elektroninius etaloninius sprendimus, naudojant tą pačią tinklo architektūrą ir duomenų rinkinį. Svarbu tai, kad autoriai praneša, jog optinė konvoliucijos fazė veikia beveik nulinėmis papildomomis energijos sąnaudomis, palyginti su atitinkamomis elektroninėmis multiply‑accumulate grandinėmis, leidžiant bendrą energijos taupymą maždaug 100× konvoliucijai dominuojančiose inferencijos dalyse.
Komanda taip pat demonstravo bangos ilgio daugialypinimą: įleidžiant skirtingų spalvų lazerio šviesą per tas pačias lęšių struktūras, lustas vienu metu apdorodavo kelis branduolius nepadidinant proporcingai energijos sąnaudų ar lusto ploto. Ši spektrinė lygiagretumas yra fotonikos prigimtinė savybė ir suteikia kelią didinti pralaidumą be tradicinio tranzistorių mastelio didinimo.
Tačiau prototipas yra ankstyvos stadijos įrenginys. Išlieka iššūkiai integruoti fotoninius konvoliucinius sluoksnius į pilno masto neuroninių tinklų akceleratorius, įskaitant: aukštos kokybės ant lusto moduliatorius ir detektorius, triukšmo ir kryžminio įtako valdymą, optinių ir elektroninių sąsajų suderinimą bei programavimo ir persikonfigūravimo galimybių palaikymą skirtingiems branduoliams ir tinklo topologijoms. Pereinamosios konversijos (elektrinis‑>optinis ir optinis‑>elektrinis) taip pat prideda vėlavimą ir nenulinę energijos sąnaudų viršauką, kurią reikia optimizuoti siekiant bendrų sistemos pranašumų.
Implications and potential applications
Jei ši technologija subręs ir bus gaminama masiškai, silicio fotonikos konvoliuciniai moduliai galėtų pakeisti, kur ir kaip vykdoma DI inferencija. Galimi poveikiai apima:
- Duomenų centrų energijos mažinimas: perkraunant konvoliucijai dominuojančius sluoksnius į optinę aparatūrą, galima reikšmingai sumažinti debesų inferencijos fermų eksploatacinę galią.
- Periferinės ir kosminės DI sistemos: lengvi, mažai energijos reikalaujantys fotoniniai akceleratoriai yra patrauklūs palydovams, planetų tyrimų zondams ir nuotolinės stebėsenos platformoms, kur galios ir šiluminės sąnaudos yra ribotos.
- Realaus laiko įterptosios sistemos: robotika, autonominiai automobiliai ir dronai galėtų gauti naudos iš didesnio pralaidumo ir mažesnės energijos vizijos bei lidar apdorojimui.
Tyrėjai pabrėžia suderinamumą su standartine puslaidininkių gamyba, o tai gali palengvinti pramonės ir surinktinių lūšių pritaikymą. Jie taip pat pažymi, kad įmonės, kurios jau naudoja optines jungtis arba optinius koprocesorius specializuotuose DI sistemų sluoksniuose, galėtų integruoti fotoninius konvoliucijos vienetus į hibridinius optoelektroninius akceleratorius.
Expert Insight
Dr. Samuel Kim, vyresnysis fotonikos inžinierius turintis 15 metų patirtį kosminių instrumentų srityje, komentuoja: "Šis darbas žengia link difraktinės optikos praktinės integracijos tiesiai ant silicio, o tai yra reikšmingas žingsnis. Kosminėms ir nuotolinėms sistemoms sumažinti energiją vienam inferencijos veiksmui dviem eilėmis yra transformacinė — tai leistų vykdyti sudėtingesnę onboard analizę nepadidinant saulės kolektorių ar radiatorių. Pagrindiniai iššūkiai, kuriuos matau, yra užtikrinti atsparumą spinduliavimui ir temperatūros svyravimams bei suteikti programuojamą persikonfigūravimą, kad aparatinė įranga galėtų palaikyti įvairius modelius lauke."
Dr. Kim taip pat priduria, kad bangos ilgio daugialypinimas yra ypač perspektyvus: "Daugialypinimas išnaudoja dimensiją, kurios elektronika negali lengvai išnaudoti. Jei pakuotė ir daugiabangiai šviesos šaltiniai bus kompaktiški ir patikimi, pralaidumas galėtų augti taip, kad papildytų Moore'o dėsnį DI užduotims."
Related technologies and future prospects
Fotoninė konvoliucijos prieiga dera su platesne optinių ir hibridinių skaičiavimų tyrimų ekosistema. Susiję darbo kryptys apima: integruotus Mach–Zehnder interferometrų tinklus matricų‑vektorių dauginimui, difraktinius giluminių neuroninių tinklų sprendimus kaip laisvos erdvės optiką bei ant lusto fotonines atminties koncepcijas. Kiekvienas požiūris derina skirtingus kompromisus programuojamume, tikslume, užimamoje vietoje ir energijos efektyvume.
Puslaidininkių fotonikos pažanga — tvirtesni moduliatoriai, mažesni nuostoliai bangolaidėse, kompaktiški daugiabangiai lazerių šaltiniai ir integruoti fotodetektoriai — lems, kaip greitai optiniai skaičiavimo komponentai persikels nuo prototipų prie komercinių akceleratorių. Bendradarbiavimas tarp akademijos, nacionalinių laboratorijų ir pramonės (įskaitant tiekėjus, kurie jau diegia optinius elementus DI sistemose) bus svarbus įveikti inžinerinius kliuvinius ir užtikrinti gamybos grandines.
Limitations and open questions
Išlieka keli techniniai ir sistemos lygio neaiškumai:
- Tikslumas ir triukšmas: optinė intensyvumo koduotė yra jautri detektorių triukšmui ir ribotam dinaminės amplitudės diapazonui, kas gali paveikti skaitinį tikslumą giliesiems tinklams ar mokymo užduotims.
- Programuojamumas: daugelyje tinklų konvoliuciniai branduoliai mokosi treniravimo metu ir gali reikalauti dažnų atnaujinimų. Optinės priemonės turi palaikyti persikonfigūravimą arba būti derinamos su programuojamais elektroniniais sluoksniais.
- Sistemos integracija: hibridinės optoelektroninės sistemos reikalauja efektyvių sąsajų ir programinės įrangos jungtinio projektavimo, kad užduotys būtų nukreipiamos optimaliai.
- Gyvavimo ciklas ir patikimumas: diegiant atšiaurioje aplinkoje (kosmose, pramonėje), fotoniniai įrenginiai turi atitikti griežtus patikimumo standartus.
Šių klausimų sprendimas bus tolimesnių tyrimų ir pramoninės plėtros objektas.
Conclusion
Floridos universiteto silicio fotonikos konvoliucijos lustas demonstruoja patrauklų kelią žymiai sumažinti vienos pagrindinės DI operacijos energijos sąnaudas išnaudojant šviesą. Graviruodami mikroskopines Fresnelio lęšes ant silicio ir koduodami duomenis į lazerio spindulius, prototipas atlieka konvoliucinius transformavimus su konkurencingu tikslumu ir eilės dydžio mažesnėmis energijos sąnaudomis optinei fazei. Bangos ilgio daugialypinimas ir suderinamumas su puslaidininkių gamyba sustiprina argumentą dėl platesnio pritaikymo.
Nors praktinė diegimo sėkmė priklausys nuo programavimo, integracijos ir patikimumo iššūkių sprendimo, darbas pabrėžia įmanomą optinę strategiją plėsti DI galimybes neproporcingai nepadidinant energijos suvartojimo. Energiją ribojančiose sistemose — nuo periferinių įrenginių iki palydovų ir didelio masto duomenų centrų — ant lusto įdiegta fotonika gali tapti svarbia priemone kitoje DI aparatūros inovacijų bangoje.
Quelle: sciencedaily
Kommentare