Учёные из китайского университета Цинхуа разработали полностью аналоговый фотоэлектронный чип ACCEL, который обещает совершить революцию в задачах высокоскоростного машинного зрения. Чип, сочетающий электронные и оптические технологии, способен продемонстрировать беспрецедентную энергоэффективность и высочайшую скорость вычислений для задач машинного зрения. В этой сфере новый чип радикально превосходит современные графические процессоры.

Источник изображения: Pixabay

Традиционные процессоры обладают ограниченной скоростью вычислений и потребляют колоссальное количество энергии при решении задач машинного зрения, таких как распознавание изображений для автономного вождения, робототехники и медицинской диагностики. Эти задачи требуют обработки изображений с высоким разрешением, точной классификации и сверхнизкой задержки.

Чип ACCEL реализует преимущества развивающейся области фотонных вычислений, которые используют свет для обработки информации. Интегрируя дифракционные оптические аналоговые вычисления (OAC) и электронные аналоговые вычисления (EAC) в одном чипе, ACCEL достигает замечательной энергоэффективности и скорости вычислений.

Метод OAC использует управление световыми волнами посредством дифракции для кодирования и обработки информации. При помощи интерференционных паттернов, создаваемых светом, вычисления производятся аналоговым способом, обрабатывая данные непрерывно, а не дискретными цифровыми шагами. Метод EAC использует электронные компоненты для манипулирования непрерывными физическими величинами. Вместо работы с цифровыми сигналами в виде нулей и единиц, EAC использует постоянно меняющиеся аналоговые сигналы.

Архитектура ACCEL / Источник изображения: Tsinghua University

Оба метода дают преимущества для определённых видов вычислений и способствуют разработке задач высокоскоростного зрения.

ACCEL при обработке изображений не требует АЦП для преобразования изображения, напрямую используя для вычислений фототоки, индуцированные светом, что приводит к значительному сокращению задержек. ACCEL достигает системной энергоэффективности 74,8 пета-операций в секунду на ватт, что более чем на три порядка выше, чем у современных графических процессоров. Скорость вычислений достигает 4,6 пета-операций в секунду, при этом более 99 % вычислений выполняются оптически.

Благодаря интеграции оптоэлектронных вычислений и адаптивного обучения ACCEL достигает конкурентоспособной точности классификации объектов в различных задачах. Новый чип продемонстрировал точность 85,5 %, 82,0 % и 92,6 % для задач Fashion-MNIST, 3-классовой классификации ImageNet и задач распознавания покадрового видео соответственно. Примечательно, что ACCEL демонстрирует высокую надёжность даже в условиях низкой освещённости, что делает его пригодным для портативных устройств, автономного вождения и промышленных применения.

Сравнение скорости и энергоэффективности ACCEL с традиционными методами / Источник изображения: Tsinghua University

Сверхнизкое энергопотребление нового чипа значительно снижает тепловыделение, открывая путь дальнейшему совершенствованию и миниатюризации. В отличие от традиционных оптоэлектронных цифровых вычислительных систем, ACCEL гибко сочетает дифракционные оптические вычисления и электронные аналоговые вычисления, а его архитектура обеспечивает масштабируемость, нелинейность и высокую адаптируемость.

В исследовании, опубликованном в журнале Nature, исследователи заявили: «Разработка вычислительной системы, основанной на совершенно новом принципе, является огромной задачей. Однако ещё более важно успешно реализовать эту вычислительную архитектуру следующего поколения в реальные приложения, отвечающие важнейшим потребностям общества».

В рецензии на исследование, опубликованной в журнале Nature's Research Briefing, эксперты высказали убеждение, что «ACCEL может позволить этим архитектурам сыграть роль в нашей повседневной жизни гораздо раньше, чем ожидалось».

Всё новое — это, несомненно, хорошо забытое старое. Самым первым аналоговым вычислительным устройством является хорошо знакомая старшему поколению логарифмическая линейка.

Источник изображения: myruler.ru

Другим известным примером аналоговых вычислительных устройств является настольная аналоговая вычислительная машина МН-7, разработанная в далёком 1955 году. Она успешно решала обыкновенные дифференциальные уравнения до 6-го порядка. Не менее успешно при помощи подобных машин создавались математические модели физических процессов, что использовалось при решении задач АСУ ТП.

Источник изображения: computerra.ru

В аналоговой вычислительной машине (АВМ) мгновенному значению исходной переменной величины ставится в соответствие мгновенное значение другой величины, часто отличающейся от исходной физической природой и масштабным коэффициентом. Каждой элементарной математической операции, как правило, соответствует физический закон, устанавливающий математические зависимости между физическими величинами на выходе и входе (например, закон Ома).

Особенности представления исходных величин и построения алгоритмов предопределяют большую скорость работы АВМ и простоту программирования, но ограничивают область применения и точность получаемого результата. АВМ отличается малой универсальностью (алгоритмическая ограниченность) — при решении задач другого класса необходимо перестраивать структуру машины и число решающих элементов.

А теперь мы становимся свидетелями того, как в мире, казалось бы, победивших цифровых технологий, вновь начинают находить применение аналоговые вычисления, вышедшие на новый уровень развития.

Волновая природа света была доказана в знаменитом двухщелевом опыте Томаса Юнга ещё в 1801 году. Много позже учёные доказали, что при этом свету (фотонам) остаются присущи свойства элементарных частиц. Но Юнг первым показал, что в пространстве свет ведёт себя как волна. И только спустя 222 года физики смогли поставить эксперимент, который доказывает, что свет ведёт себя как частица и волна не только в пространстве, но и во времени.

Источник изображения: Imperial College London

Эксперимент был поставлен в Имперском колледже Лондона. В оригинальном опыте Юнга свет пропускался через две расположенные рядом узкие щели. На экране за щелями возникал целый ряд штрихов, что объясняется волновыми свойствами света — волны из двух щелей взаимодействовали друг с другом и либо усиливали друг друга, либо гасили с разной степенью интенсивности. Тем самым волновая природа света была доказана при распространении волн в пространстве.

С оценкой волновых свойств света во времени всё было намного сложнее. Скорость света слишком большая для эксперимента. Этим даже обычно пренебрегали при расчётах. За правило бралось, что свет во времени ведёт себя как частица. Группе физиков удалось воссоздать двухщелевой эксперимент, который доказал волновую природу света во времени.

В новом опыте две щели были сделаны из такого материала, как 40-нм плёнка из оксида индия-олова (популярный материал для изготовления дисплеев для смартфонов, например). Плёнка была нанесена на стеклянную подложку, покрытую 100-нм слоем золота. Предложенная «щель» играла роль зеркала, меняющего отражающие свойства с 8 % до 60 % по сигналу (после подачи импульса накачки).

Скорость переключения зеркал-щелей оказалась феноменальной — считаные фемтосекунды. Процессы интерференции света оказалось возможным наблюдать во времени — волны взаимодействовали после прохождения щелей и усиливали либо гасили друг друга, но только это происходило не с разложением в пространстве, а на шкале времени. Щели действовали как затворы в фотоаппарате, срабатывая с такой скоростью, что каждый раз через них проникала лишь часть волны. Подобное, например, позволит измерять свойства света за один период волны.

Поставленный эксперимент открывает путь к новой спектроскопии. Это пригодится при изучении астрофизических явлений, к примеру, чёрных дыр. Также временная интерференция света — это новые возможности в области квантовых вычислений и даже в области обычной фотоники — в оптических интерфейсах или процессорах. А есть ещё темпоральные или временные кристаллы и много неизученных областей, где к новым открытиям пока даже не знают, как подступиться.

Нобелевский комитет присудил премию по физике 2022 года Алену Аспе (Alain Aspect), Джону Клаузеру (John F. Clauser) и Антону Цайлингеру (Anton Zeilinger). Исследуя нарушения неравенств Белла, они экспериментировали с запутанными фотонами и проводили работы по квантовой информатике. Церемония награждения состоится 10 декабря.

Источник изображения: nobelprize.org

Исследования всех трёх учёных касаются запутанных квантовых частиц и нарушений неравенств Белла. В шестидесятые годы прошлого века ирландский физик Джон Стюарт Белл (John Stewart Bell) сформулировал неравенства, позволяющие проверить, содержит ли квантово-механическая система скрытые параметры — их невозможно измерить экспериментально, но они влияют на результаты измерений других параметров системы. Если скрытые параметры существуют, то выполняется гипотеза локального реализма, и свойства объекта существуют до их измерения, а сам объект влияет только на своё локальное окружение. Неравенства Белла поддаются экспериментальной проверке — их выполнение и невыполнение дают разные вероятности состояний.

Американец Джон Клаузер в семидесятые годы экспериментально проверил выполнение неравенств Белла и доказал, что они нарушаются, то есть в квантовой механике нет скрытых параметров. Это означает, что её вероятностная природа не является следствием неполного описания.

В начале восьмидесятых французский учёный Аллен Аспе в рамках работы над докторской диссертацией развил идеи Клаузера и смог сделать так, чтобы начальные условия, при которых испускается пара запутанных фотонов, не оказывала влияния на результаты измерений. Аспе также доказал, что неравенства Белла не выполняются.

Наконец, австриец Антон Цайлингер впервые в 1997 году показал возможность квантовой телепортации с использованием запутанных фотонов, то есть изменения поляризационного состояния одной частицы при изменении состояния другой, которая находилась на расстоянии от исходной.