Ученые из Университета Флориды совместно с коллегами из Флоридского института полупроводников, Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и Университета Джорджа Вашингтона разработали кремниевый чип, который использует свет для выполнения вычислений в системах искусственного интеллекта. Новая технология позволяет в разы снизить энергопотребление и ускорить обработку данных без потери точности.
Современные модели искусственного интеллекта становятся все более сложными и требуют все больших энергоресурсов. Их обучение и работа связаны с колоссальным потреблением электроэнергии. Особенно энергоемкой является операция свертки — ключевой инструмент нейросетей, позволяющий распознавать закономерности в изображениях, видео и тексте. Именно на этом этапе расходуется больше всего энергии и времени.
Для решения этой проблемы исследователи обратились к фотонике — технологии, в которой для обработки и передачи информации используется свет. В традиционных чипах вычисления происходят за счет движения электронов, что неизбежно сопровождается потерями энергии и выделением тепла, а значит требует дополнительного охлаждения. В новой системе часть операций выполняется лазерным излучением: фотоны не нагревают чип так, как это делают электроны, и почти не расходуют лишнюю энергию. Чтобы реализовать этот принцип, ученые нанесли на поверхность чипа микроскопические линзы Френеля, тоньше человеческого волоса. Эти ультратонкие оптические элементы преобразуют данные в лазерные импульсы и позволяют выполнять математические операции с минимальными энергозатратами.
В ходе испытаний прототип показал впечатляющие результаты: он классифицировал рукописные цифры с точностью около 98% — на уровне традиционных электронных систем, но при значительно меньшем энергопотреблении. Более того, чип способен обрабатывать сразу несколько потоков информации, используя лазеры разных цветов. Такой подход, известный как мультиплексирование по длинам волн, открывает путь к дальнейшему росту производительности.
По словам руководителя проекта профессора Фолькера Зоргера, это первый случай, когда оптические вычисления подобного рода удалось разместить непосредственно на чипе и применить в нейронной сети. Ученые уверены, что в будущем такие решения могут стать стандартом: производители, включая NVIDIA, уже используют отдельные оптические элементы в своих системах. В перспективе это упростит интеграцию новых технологий и приблизит создание полностью оптических вычислений.
