Оптические вычисления: ИИ на скорости света

Исследователи из Университета Аалто совершили прорыв, продемонстрировав тензорные вычисления в единичном проходе на скорости света. Это важный шаг к созданию аппаратного обеспечения нового поколения для искусственного общего интеллекта, использующего оптические, а не электронные компоненты.

Тензорные операции составляют основу большинства современных технологий, особенно в сфере ИИ. Они выходят за рамки привычной нам арифметики, напоминая манипуляции с многомерными объектами, вроде кубика Рубика. В то время как человеческий мозг и классические компьютеры выполняют эти операции последовательно, свет способен обрабатывать их одновременно.

Сегодня все задачи ИИ, от распознавания изображений до обработки естественного языка, опираются на тензорные вычисления. Однако экспоненциальный рост данных ставит перед традиционными вычислительными платформами, такими как GPU, пределы в плане скорости, масштабируемости и энергопотребления.

Как свет обеспечивает мгновенные тензорные вычисления

Международная исследовательская группа под руководством доктора Юфэн Чжан из группы фотоники Университета Аалто разработала новый подход, позволяющий выполнять сложные тензорные вычисления с помощью одного прохождения света. Результатом стали тензорные вычисления в единичном проходе, реализованные на скорости света.

«Наш метод выполняет те же операции, что и современные GPU, такие как свертки и слои внимания, но делает это со скоростью света», — отмечает доктор Чжан. «Вместо использования электронных схем мы задействуем физические свойства света для одновременного выполнения множества вычислений».

Исследователи закодировали цифровые данные в амплитуду и фазу световых волн, превратив числа в физические свойства оптического поля. Когда эти световые поля взаимодействуют и комбинируются, они естественным образом выполняют математические операции, такие как матричные и тензорные умножения, лежащие в основе алгоритмов глубокого обучения.

Введение нескольких длин волн света позволило команде расширить этот подход для обработки тензорных операций более высокого порядка.

Потенциальное влияние и будущие применения

«Представьте, что вы таможенник, который должен проверить каждую посылку с помощью нескольких разных машин, а затем рассортировать их по нужным ячейкам», — объясняет Чжан. «Обычно вы обрабатываете каждую посылку по очереди. Наш метод оптических вычислений объединяет все посылки и все машины — мы создаем множество «оптических крючков», которые соединяют каждый вход с правильным выходом. Всего за одну операцию, один проход света, все проверки и сортировки происходят мгновенно и параллельно».

Еще одним ключевым преимуществом этого метода является его простота. Оптические операции происходят пассивно при распространении света, поэтому во время вычислений не требуется активное управление или электронное переключение.

«Этот подход может быть реализован практически на любой оптической платформе», — говорит профессор Чжипей Сунь, руководитель группы фотоники Университета Аалто. «В будущем мы планируем интегрировать эту вычислительную структуру непосредственно в фотонные чипы, что позволит процессорам на основе света выполнять сложные задачи ИИ с чрезвычайно низким энергопотреблением».

В конечном итоге, цель состоит в том, чтобы внедрить этот метод на существующем оборудовании или платформах, созданных крупными компаниями, как отмечает Чжан, который консервативно оценивает интеграцию подхода в такие платформы в течение трех-пяти лет.

«Это приведет к созданию нового поколения систем оптических вычислений, значительно ускоряя выполнение сложных задач ИИ в бесчисленных областях», — заключает он.