Группа учёных с факультета инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета разработала новый чип, который для выполнения сложных математических операций использует не электричество, а световые волны. Кремниево-фотонный чип можно выпускать на современном оборудовании и использовать его, например, в качестве сопроцессора для GPU в задачах, связанных с машинным обучением.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Учёные создали и испытали чип на операциях векторно-матричного умножения для матриц 2 × 2 и 3 × 3. Также была показана возможность работы матрицы 10 × 10. Эти примеры продемонстрировали, что предложенные методы обладают потенциалом для создания крупномасштабных аналоговых вычислительных платформ на основе световых волн, о чём учёные рассказали в статье в журнале Nature Photonics.

В основе работы лежит доказательство концепции изготовления волноводов и аморфных линз непосредственно на кремниевой пластине с помощью стандартных техпроцессов травления и обработки пластин. Традиционные методы изготовления метаструктур страдают такими ограничениями, как узкая полоса пропускания и высокая чувствительность к ошибкам изготовления. В частности, это ограничивает масштабирование подобных архитектур.

Вместо того чтобы использовать кремниевую пластину одинаковой высоты, объясняют разработчики, «вы делаете кремний тоньше, скажем, на 150 нанометров», но только в определенных областях. Эти изменения высоты без добавления каких-либо других материалов обеспечивают средство контроля над распространением света через чип, поскольку изменения высоты могут быть распределены таким образом, чтобы свет рассеивался определенным образом, позволяя чипу выполнять математические вычисления со скоростью света.

Проще говоря, в кремнии протравливаются волноводы и создаётся система линзирования, которые обеспечат прохождение светового сигнала по лабиринту волноводов с жёстко заданным алгоритмом и в зависимости от сигналов на входе получится определённый результат. Таким сопроцессором можно дооснастить обычный графический процессор, чтобы разгрузить его от энергозатратных операций векторно-матричного умножения и, таким образом, ускорить вычисления для задач искусственного интеллекта и машинного обучения.

Исследовательское подразделение Microsoft представило первый в мире аналоговый оптический компьютер для решения практических задач. Для этого компания объединилась с банком Barclays, чтобы продемонстрировать использование необычного компьютера в повседневной жизни. Один из узлов компьютера оперирует непрерывными (аналоговыми) данными в виде пучков света и этому на самом деле нет аналогов. Это даже лучше квантовых компьютеров, уверяют в Microsoft.

Источник изображений: Microsoft

Представленный компанией аналоговый оптический компьютер предназначен для решения задач оптимизации и не может считаться универсальной вычислительной платформой. Тем не менее, его архитектура и алгоритмы могут быть задействованы в других сферах, если там присутствует обработка больших потоков данных с необходимостью выполнять множество векторно-матричных умножений или сложений. Оптический блок или аналоговое ядро установки выполняет только такие операции, но делает это молниеносно и без промежуточного перевода данных в двоичную систему.

Классическим примером задач комбинаторной оптимизации, которые решает установка Microsoft AIM (Analog Iterative Machine) — это так называемая задача коммивояжёра. Для решения такой задачи необходимо найти самый выгодный маршрут, проходящий через указанные города хотя бы по одному разу с последующим возвратом в исходный город. Квантовые платформы и алгоритмы на основе квантового отжига также хорошо решают такие задачи, но платформа Microsoft обещает делать это проще и в масштабах небольшой компьютерной стойки без всего этого интерфейсного ужаса, который окружает типичную квантовую платформу.

Идея Microsoft заключается в следующем. Есть источник данных. Да, хоть обычный компьютер и даже множество компьютеров. Данные преобразуются в лучи света, интенсивность которых будет зависеть от исходной информации. Свет от множества источников с высочайшим параллелизмом направляется на матрицу, каждая ячейка которой модулирует лучи в соответствии с выбранным алгоритмом. В этом процессе происходит аналоговое преобразование света, которое эквивалентно векторно-матричным действиям (умножению или сложению) в двоичной системе. Результат — свет определённой интенсивности или цвета — считывается датчиком изображения в каждом «окошке» матрицы и легко переводится в цифру для дальнейшей обработки или выдачи результата.

На примере сотрудничества с банком Barclays команда Microsoft показала, что её система успешно решает проблемы оптимизации при обработке банковских транзакций, что делает машину AIM заманчивым решением для финансовых рынков. Оптические чипы в составе системы сантиметрового масштаба, а вся платформа помещается в стандартную серверную стойку, поэтому её можно установить в любом учреждении.

Добавим, о принципе работы и преимуществах AIM компания рассказала чуть меньше года назад. Видео выше.

Учёные из Австралии — Иван Максимов и Андрей Потоцкий — представили прототип «резервуарного» компьютера, который производит вычисления в ёмкости с водой. Поведение волн на воде подчинено строгим физическим законам и ведёт к прогнозируемому результату. Это чистый аналоговый компьютер, который способен выполнять ряд задач быстрее и точнее любой цифровой платформы.

Источник изображения: Pixabay

Исследователи поддержали прототип эффективной математической моделью (в её основу были положены элементы работы нейронных сетей), о чём рассказали в соответствующей научной статье. Конструктивно прототип «резервуарного» компьютера представляет собой длинную ёмкость с проточной водой. Роль входного контура играет помпа, которая создаёт волны на поверхности текущей воды. Отметим, учёных заинтересовала не обычная волна, которая быстро теряет силу, и вода успокаивается, а структурно устойчивая уединённая волна, распространяющаяся в нелинейной среде — так называемый солитон.

Представленный прототип показал, что аналоговая волновая платформа способна запоминать как упорядоченные, так и случайные входные данные, и демонстрировала обработку входных данных в соответствии с поставленной задачей. В ряде случаев выданный резервуаром результат по точности превосходил аналогичные вычисления, проведённые на классических цифровых компьютерах.

Для повышения точности считывания амплитуды и рисунка волн учёные добавили в воду флуоресцентный состав. В перспективе они намерены разработать «водяной» микропроцессор, который мог бы работать на принципе сталкивания волн в резервуаре, но на микроуровне и в защищённом виде подобно классическому микрочипу. Ожидается, что аналоговые «резервуарные» компьютеры ускорят расчёты в климатологии, социологии, в биржевом секторе и там, где прогнозирование зависит от множества входящих факторов и носит вероятностный характер. Возможно, для него найдутся другие не менее интересные варианты использования.

Аналоговые компьютеры уходят своими корнями в античность. Пик своего развития они прошли с 40-х по 60-е годы XX века, после чего уступили место «цифре». Сегодня аналоговые вычислители снова начинают бросать вызов цифровым решениям в нейроморфных, квантовых и других приложениях и, как оказалось, могут оказаться намного производительнее в процессе крайне сложных математических расчётов.

Источник изображения: Pixabay

Так, в журнале Nature Nanotechnology вышла статья исследователей из института AMOLF, Университета Пенсильвании и Городского университета Нью-Йорка (CUNY), в которой они рассказали о создании наноструктурированной поверхности, которая может решать уравнения с помощью света.

Фактически речь идёт о создании оптических метаповерхностей, падение света на которые (и его отражение) происходит по обычным законам оптики по заранее физически вшитой функции. Этот метод нельзя поставить в один ряд с цифровыми системами для решения любых задач, но для выполнения специфических и математически сложных алгоритмов все очень и очень перспективно.

Цифровые архитектуры в лице процессоров больше не обещают взрывной рост производительности и такой же рост энергоэффективности, что часто формулируют в такой лаконичной форме, как «закон Мура мёртв». Переход на оптические сигналы и структурированные метаповерхности решает обе проблемы: он повысит скорость вычислений за счёт работы света в наноразмерных оптических структурах и снизит энергопотребление по причине отсутствия выделения тепла в ходе расчётов.

Идея подобных вычислений проста. В тончайшем прозрачном слое материи создаются прозрачные области и определённый наномасштабный рельеф под ними. Просто проходя сквозь слой и отражаясь от него свет выполняет расчёт по заданной формуле. Исследователи показали, что таким образом, например, можно обрабатывать изображения. И если обычные компьютеры тратят на такие операции множество циклов, особенно, если в процесс включена обработка матриц, то оптические системы производят вычисления за один цикл.

Источник изображения: Nature Nanotechnology

Один из ведущих авторов работы сказал: «Мы продемонстрировали новый мощный альянс между нанотехнологиями и аналоговыми вычислениями, который может проложить путь к созданию гибридных оптических и электронных вычислительных схем. Дальнейшее развитие наших идей приведет к решению задач повышенной сложности со скоростью и эффективностью, которые ранее были немыслимы».