Световой чип делает ИИ в 100 раз энергоэффективнее

Новый кремниевый фотонный чип преобразует данные, закодированные светом, в мгновенные результаты свертки. Фото: H. Yang (Университет Флориды)

Системы искусственного интеллекта (ИИ) становятся все более важными для технологий, обеспечивая работу от распознавания лиц до перевода языков. Но по мере усложнения моделей ИИ они потребляют огромное количество электроэнергии, создавая проблемы для энергоэффективности и устойчивого развития. Новый чип, разработанный исследователями из Университета Флориды, может помочь решить эту проблему, используя свет, а не только электричество, для выполнения одной из самых энергоемких задач ИИ. Их исследование опубликовано в журнале Advanced Photonics.

Чип предназначен для выполнения операций свертки — ключевой функции машинного обучения, которая позволяет системам ИИ обнаруживать закономерности в изображениях, видео и тексте. Эти операции обычно требуют значительных вычислительных мощностей. Интегрировав оптические компоненты непосредственно в кремниевый чип, исследователи создали систему, которая выполняет свертки с помощью лазерного света и микроскопических линз, что значительно снижает энергопотребление и ускоряет обработку.

«Выполнение ключевого вычисления машинного обучения почти с нулевым энергопотреблением — это прорыв для будущих систем ИИ», — заявил руководитель исследования Фолькер Й. Зоргер, профессор полупроводниковой фотоники в Университете Флориды. — «Это критически важно для дальнейшего масштабирования возможностей ИИ в ближайшие годы».

В тестах прототип чипа классифицировал рукописные цифры с точностью около 98%, что сопоставимо с традиционными электронными чипами. Система использует два набора миниатюрных линз Френеля — плоских, ультратонких версий линз, используемых в маяках, изготовленных с помощью стандартных полупроводниковых технологий. Эти линзы тоньше человеческого волоса и вытравлены непосредственно на чипе.

Для выполнения свертки данные машинного обучения сначала преобразуются в лазерный свет на чипе. Свет проходит через линзы Френеля, которые выполняют математическое преобразование. Затем результат преобразуется обратно в цифровой сигнал для завершения задачи ИИ.

«Это первый случай, когда кто-либо поместил этот тип оптических вычислений на чип и применил его к нейронной сети ИИ», — сказал Хангбо Ян, доцент-исследователь в группе Зоргера в Университете Флориды и соавтор исследования.

Команда также продемонстрировала, что чип может обрабатывать несколько потоков данных одновременно, используя лазеры разных цветов — метод, известный как спектральное уплотнение. «Мы можем иметь несколько длин волн или цветов света, проходящих через линзу одновременно», — пояснил Ян. — «Это ключевое преимущество фотоники».

Исследование проводилось в сотрудничестве с Флоридским институтом полупроводников, UCLA и Университетом Джорджа Вашингтона. Зоргер отметил, что производители чипов, такие как NVIDIA, уже используют оптические элементы в некоторых частях своих систем ИИ, что может облегчить интеграцию этой новой технологии.

«В ближайшем будущем чиповая оптика станет ключевой частью каждого чипа ИИ, который мы используем ежедневно», — заявил Зоргер. — «И следующим шагом станут оптические вычисления для ИИ».

ИИ: Это исследование открывает захватывающие перспективы для развития энергоэффективных систем ИИ, что особенно актуально в 2025 году, когда вопросы устойчивого развития и снижения энергопотребления становятся все более критичными.