Забудьте об электронах: новый прорыв использует частицы света-материи для питания ИИ

Спустя 80 лет после создания ENIAC, первого в мире универсального электронного компьютера, исследователи из Пенсильванского университета изучают новый способ питания вычислительной техники будущего. Вместо того чтобы полностью полагаться на электроны, ученые обращаются к свету.

ENIAC, разработанный исследователями Пенсильванского университета Дж. Преспером Экертом и Джоном Мокли, положил начало современной эре вычислений, используя потоки электронов для решения сложных математических задач. Тот же электронный подход до сих пор питает современные компьютеры, смартфоны и системы ИИ. Но по мере того как искусственный интеллект становится все более требовательным, ограничения электронного оборудования становятся все более очевидными.

Почему электроны достигают своих пределов

Электроны несут электрический заряд, что создает ряд проблем внутри современных компьютерных чипов. Двигаясь через материалы, они выделяют тепло и сталкиваются с сопротивлением, которое расходует энергию. Эти проблемы становятся еще более серьезными по мере усложнения чипов и обработки огромных объемов данных для приложений ИИ.

Исследователи под руководством физика Пенсильванского университета Бо Чжэня считают, что фотоны, частицы, из которых состоит свет, могли бы помочь решить некоторые из этих проблем.

«Поскольку они электрически нейтральны и имеют нулевую массу покоя, фотоны могут быстро переносить информацию на большие расстояния с минимальными потерями, доминируя в коммуникационных технологиях, — объясняет Ли Хэ, соавтор статьи, опубликованной в Physical Review Letters. — Но эта нейтральность означает, что они почти не взаимодействуют с окружающей средой, что делает их непригодными для той логики переключения сигналов, на которой основаны компьютеры».

Иными словами, свет отлично подходит для быстрой и эффективной передачи информации, но плохо справляется с операциями переключения, необходимыми для вычислений.

Объединение света и материи для ИИ-вычислений

Чтобы преодолеть эту проблему, команда Чжэня разработала специальную квазичастицу под названием экситон-поляритон. Частица образуется, когда фотоны сильно связываются с электронами внутри атомарно тонкого полупроводникового материала. Такое сочетание позволяет свету взаимодействовать гораздо эффективнее, делая его способным выполнять переключение сигналов, необходимое для вычислительных задач.

Этот прорыв может быть особенно важен для систем искусственного интеллекта, которые потребляют огромное количество энергии.

Многие экспериментальные фотонные чипы для ИИ уже используют свет для выполнения определенных вычислений на высокой скорости. Однако, когда этим системам необходимо выполнить этапы нелинейной активации, такие как операции принятия решений, они обычно должны преобразовывать световые сигналы обратно в электронные. Это преобразование замедляет процесс и увеличивает энергопотребление, снижая преимущества фотонных вычислений.

Используя экситон-поляритоны, исследователи из Пенсильвании продемонстрировали полностью оптическое переключение, используя при этом всего около 4 квадриллионных долей джоуля энергии. Это количество чрезвычайно мало, намного меньше энергии, необходимой для кратковременного питания крошечного светодиода.

На пути к более быстрым и эффективным чипам для ИИ

Если технологию удастся успешно масштабировать, это может привести к созданию фотонных чипов, способных обрабатывать информацию непосредственно с камер без многократных преобразований между светом и электричеством. Этот подход также может снизить огромные энергетические потребности крупных систем ИИ и потенциально поддерживать базовые функции квантовых вычислений на будущих чипах.