Фотоника снимает технические ограничения для нейроморфных вычислений
Нейроморфные вычисления — это попытка скопировать принцип работы мозга: не последовательно выполнять команды, как обычный процессор, а обрабатывать информацию параллельно, через сеть взаимосвязанных «нейронов», которые активируются в зависимости от поступающих сигналов. Эта идея существует уже несколько десятилетий, но до недавнего времени ее реализовывали на обычной электронной элементной базе. Исследователи из МФТИ провели обширный обзор, в котором систематизировали последние достижения в области фотонных нейроморфных вычислений.
Принципиальное ограничение электронных систем — это скорость передачи сигналов и неизбежные тепловыделение и энергопотери при перемещении электронов через резисторы и транзисторы. Именно здесь на сцену выходит фотоника: если заменить электроны фотонами, сигналы будут распространяться со скоростью света, практически без потерь, и при этом параллельно по множеству каналов (частот).
Авторы обзора, опубликованного в «Журнале радиоэлектроники», обобщают несколько ключевых архитектурных подходов к фотонным нейроморфным системам.
Крупномасштабные фотонные матричные процессоры на основе модуляторов Маха—Цендера выполняют операцию умножения матрицы на вектор непосредственно в оптическом домене. Кремниевый чип площадью чуть больше почтовой марки способен выполнять более 100 триллионов операций умножения и накопления в секунду.
Мультиплексирование по длине волны и по модам: разные «цвета» света и разные пространственные моды в одном волноводе используются как независимые вычислительные каналы, что на порядки увеличивает параллелизм без роста физических размеров чипа.
Особый интерес представляют так называемые резервуарные вычисления на фотонной основе. В этой архитектуре роль «резервуара» — сложной динамической системы, хранящей память о прошлых входных сигналах,— выполняет нелинейная оптическая среда или полупроводниковый лазер с внешней обратной связью. Такие системы демонстрируют способность к распознаванию речи и временных паттернов при минимальном числе обучаемых параметров.
Еще одно перспективное направление — фотонные нейронные сети с фазово-переходными материалами (например, GST — сплав германия, сурьмы и теллура), которые могут переключаться между аморфным и кристаллическим состоянием прямо под действием лазерного импульса, реализуя тем самым оптическую «память» — аналог синаптической пластичности мозга.
Область применения фотонных нейроморфных систем охватывает практически весь спектр задач современного ИИ. Телекоммуникационные сети нового поколения требуют обработки терабитных потоков данных в реальном времени — здесь фотонные процессоры уже демонстрируют скорости, недостижимые для электронных аналогов. Автономные транспортные средства и беспилотники нуждаются в молниеносном распознавании объектов при жестких ограничениях по энергопотреблению — фотонные сверточные нейронные сети дают принципиальное преимущество. Медицинская диагностика в реальном времени, спутниковые системы наблюдения, квантовые коммуникации — все эти области ждут прихода нового поколения фотонного «железа».
Основные технологические вызовы, которые авторы обзора честно перечисляют, это сложность реализации нелинейных функций активации в оптическом домене, трудности с хранением больших объемов данных (оптическая память пока уступает электронной по плотности записи), а также проблемы масштабирования интегральных фотонных схем до промышленных объемов.
Тем не менее темп прогресса в последние годы резко ускорился: от отдельных демонстраций на уровне нескольких узлов до чипов, реализующих сотни взаимодействующих оптических нейронов. Следующее десятилетие, по оценке авторов, принесет гибридные оптоэлектронные платформы, совмещающие сильные стороны обеих технологий, и полностью интегрированные фотонные процессоры, способные конкурировать с лучшими современными GPU в ключевых задачах ИИ.
Кандидат технических наук Дмитрий Ступин, сотрудник проектно-конструкторского бюро разработки космических технологий МФТИ, отметил: «Конвергенция нейроморфных вычислений с фотонными технологиями — это ответ на фундаментальное физическое ограничение: электроны слишком медленны и расточительны для того масштаба ИИ, к которому движется человечество. Свет лишен этих ограничений — надо лишь научиться им управлять с нужной точностью».
Мозг человека работает на 20 ваттах. Самый мощный ИИ-кластер — на десятках мегаватт. Пропасть между этими числами — это и есть главная инженерная задача ближайших десятилетий. Фотонные нейроморфные вычисления могут ее реально сократить, опираясь не на ускорение технологий, а на смену самой физики вычислительного процесса.
Telegram 
Дзен 
VK Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
В вакууме космоса два металлических предмета, прижатые друг к другу, могут спонтанно свариться без какого-либо нагрева. Из-за отсутствия кислорода на поверхностях деталей разрушается защитный слой, в результате чего свободные электроны начинают мгновенно перемещаться между ними и соединяют два элемента в один монолит.
Японские исследователи выловили у берегов Окинавы пластиковую бутылку с узким горлышком, внутри которой сидел большой живой краб. В итоге ученые смогли найти ответы на несколько возникших в связи с этой находкой вопросов: как краб попал в бутылку, сколько там находился и как ему удалось выжить?
Древнеримские инженеры проложили колоссальную сеть дорог через Европу, Северную Африку и Ближний Восток, многие участки которой до сих пор поражают безупречной прямолинейностью. Секрет строительства заключался в использовании трех особых геодезических инструментов, с помощью которых разбивали местность на ровные отрезки и размечали трассы.
Самый маленький дневной хищник Африки впервые попал под наблюдение с помощью GPS-трекеров. Ученые выяснили, что для выкармливания птенцов ему нужен участок почти в 14 раз меньше, чем у степной пустельги — ближайшего «рекордсмена» среди изученных птиц.
Терраформировать Марс — то есть превратить в мир, где можно жить без защитных куполов — мечта человечества с того момента, как стало понятно, что это холодная планета с призрачной бескислородной атмосферой. Сейчас главный хедлайнер ее освоения — Илон Маск, компания SpaceX которого планирует первые полеты туда уже в 2028 году. Многие энтузиасты вспоминают слова Маска 14-летней давности: Красную планету надо лишь «подремонтировать», чтобы ходить без скафандра. Но между полетом и прогулками по городу-саду на Марсе лежит огромная пропасть. Пару лет назад Naked Science рассматривал положительный сценарий терраформирования. Пришло время подсчитать, сколько же лет и ресурсов потребуется.
Хотя длительность помех не превышала десяти секунд, это первый известный случай такого рода. Обычно спутникам не хватает мощности для создания радиосигналов той силы, что нужна для подобных помех.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно