Новый оптический процессор способен выполнять сложнейшие математические преобразования буквально со скоростью света
Новости
6 октября 2021
—
Различные виды сложных математических преобразований, таких, к примеру, как преобразование Фурье, достаточно широко используются в самых различных областях для обработки данных со всевозможных датчиков, данных фотоизображений и видеосъемки. Однако в большинстве случаев такие преобразования выполняются при помощи достаточно традиционных процессоров, ограниченных собственной вычислительной мощностью.
И в особо тяжелых случаях, к примеру, при увеличении объема потока информации или увеличении размеров обрабатываемых изображений, даже использование специализированных высокопроизводительных DSP-процессоров не обеспечивает необходимого результата. Выходом из таких ситуаций может стать использование оптических процессоров, способных выполнять буквально со скоростью света любую математическую обработку, невзирая на уровень ее сложности.
Не так давно группа исследователей из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе разработали основанный на технологиях глубинного машинного обучения метод, позволяющий рассчитывать и создавать специализированные оптические процессоры, предназначенные для вычислений математических преобразований практически любого уровня сложности. Оптический процессор представляет собой набор дифракционных решеток с очень сложной трехмерной структурой, установленных на определенном расстоянии друг от друга. Поток света, являющийся носителем исходной информации, проходя через последовательность дифракционных решеток, подвергается трансформациям и на выходе из процессора содержит в себе результаты математической обработки.
Достаточно просто догадаться, что весь алгоритм математических преобразований закодирован именно в виде количества, структуры дифракционных решеток и расстояния между ними. К сожалению, такой подход позволяет выполнять только один вид математических преобразований, но эти преобразования выполняются буквально со скоростью света и без каких-либо существенных затрат энергии, ведь все компоненты оптического процессора являются полностью пассивными компонентами.
Единственными активными компонентами здесь являются источник света, модулятор, позволяющий закодировать в свете исходную информацию, и фотодетектор, считывающий результаты обработки. Но все эти компоненты не являются частью оптического процессора, они обеспечивают его работу, подобно микросхемам чипсета на материнских платах обычных компьютеров.
Во время исследований калифорнийские ученые, используя разработанный ими метод, создали ряд оптических процессоров, выполняющих определенный вид линейных математических преобразований, включая преобразования Фурье, обработку визуальной информации, фильтрацию и амплитудные преобразования зашумленных сигналов. А сейчас исследователи пробуют усложнить систему, соединив в одну линию или в разветвленную сеть множество отдельных оптических процессоров, что позволит выполнять не только один вид математических преобразований, а сразу решать достаточно сложные вычислительные задач практически без затрат энергии на это дело.
Поделиться
Отправить
Твитнуть
Отправить
Научный портал “Атомная энергия 2.
0“ – это открытое к сотрудничеству прогрессивное цифровое СМИ с элементами управления ядерными знаниями, семантического анализа и ценностного лидерства, ставящее своей целью решение ключевых социально-ориентированных задач фундаментальной системообразующей атомной отрасли:
– образования и общения широкой общественности и специалистов об инновационном развитии экологически устойчивых, эффективных и полезных ядерных и радиационных наук и технологий в России и мире,
– формирования популярного сообщества ученых, инноваторов, деловых, государственных, общественных и экологических лидеров, открыто поддерживающих их дальнейшее развитие и изучение,
– формирования популярного сообщества компаний и организаций, открыто обменивающихся передовым опытом, знаниями, культурой, возможностями, инновациями и инициативами,
– и поддержки и привлечения талантливой и амбициозной молодежи к реализации длительных и успешных профессиональных карьер в атомной и смежных индустриях.
Мы предлагаем Вашей организации стать одним из партнеров нашего просветительского проекта и получить уникальный пакет профессиональных коммуникационных и рекламных услуг.
Почему нужна атомная энергетика?
Начало новой эры / Хабр
Тут смотрите какое дело…
Совершенствование полупроводниковых технологий не может длиться бесконечно долго – в очередной раз хочется вернуться к циклу статей (1 | 2 | 3) о производстве процессоров, а точнее, к посту о проблемах этого производства. Любая технология рано или поздно теряет свою актуальность, какой бы полезной она ни была… так что однажды настанет предел уменьшения размеров транзисторов и техпроцесса, закончится фантазия создателей новых материалов для производства систем, а закон Мура (в классической формулировке про транзисторы) станет неактуальным. И когда этот «тупик» наступит, начнется самое интересное – человечество будет мучиться в поисках альтернативных технологий. В прочем, насчет мук я, пожалуй, поторопился – практически очевидно, что на смену суетливым электронам придет световой поток, а вместо медных (серебряных и золотых) проводов будет какая-нибудь оптическая среда.
Почему вдруг полупроводниковая электроника стала «плохой»? На самом деле плохой она не стала, просто электрон хорошо, но фотон – лучше. Что такое электрический ток, который сегодня есть в любой технике? Если верить школьному курсу физики, то это упорядоченное движение заряженных частиц… в котором и заключается одна из главных проблем. Прущие как танки электроны в проводнике довольно непрактичны – как минимум теряется значительная часть их энергии, выделяясь в виде тепла и электромагнитного излучения, хотя это и не единственный минус.
Со светом же все иначе – информация в виде светового луча может передаваться с гигантской скоростью (тут имею ввиду пропускную способность) и на не менее гигантские расстояния, в то время как потери при этом будут минимальны.
Более того, обработка такой информации может осуществляться непосредственно во время ее передачи и почти без энергозатрат – можно для определенного алгоритма нагородить сложнейшую систему линз, светофильтров и прочих оптических штучек, которые входящий пучок света на выходе превратят в обработанную должным образом информацию.
На этом преимущества оптических вычислений не заканчиваются. Можно добавить сюда крайне высокую степень параллелизации при передаче и обработке данных (за счет одновременной работы с волнами разной длинны), меньшее энергопотребление, полное равнодушие к электрическим наводкам и сложность в перехвате данных (так как в окружающее пространство ничего не излучается; еще врачи и экологи наконец-то будут спать спокойно). Интересно, почему все это раздолье до сих пор никак не вытеснит полупроводниковую электронику? На этот вопрос есть целый букет правильных ответов, которые в сумме и приводят к тому, что мы имеем сейчас.
Бескислородная медь отменяется?
Сделать оптические аналоги базовых полупроводниковых элементов не является проблемой — гораздо сложнее заставить все это работать, причем делать это правильно и быстро.
Ведь в идеале для построения оптического компьютера придется отказаться от классической архитектуры фон Неймана, а значит и от одного из ее главного принципа, принципа двоичного кодирования — последовательности нолей и единиц могут стать неактуальными (хотя их запросто можно было бы передавать световыми импульсами). Гораздо эффективней будет работать с двухмерными изображениями – все это на порядки повысит параллельность вычислений (напомню, что «МГц-эра» уже прошла и на данный момент производительность тех же процессоров растет в основном только за счет параллелизации вычислений) и даст возможность обрабатывать даже самые большие объемы данных — прирост производительности может быть в 10- и даже в 20-кратном размере.
Но… но как в таком случае банально начать работать? ) Даже если вы в совершенстве владеете навыками работы на обычном компьютере, то с оптикой придется учиться «ходить заново». Как жить с принципиально другой структурой информации, как и куда вводить какие-то данные, как и откуда получать результаты вычислений? Не так-то просто перевести данные привычного современного вида в формат, необходимый оптическому компьютеру… Впрочем, чего я переживаю – даже если оптические компьютеры и появятся в обозримом будущем, все равно они первое время будут предназначены не для домашнего использования.
Макет одного из зданий фабрики Intel по производству процессоров
Нельзя забывать и про кубометры денег – судя по всему, сейчас выгодней строить фабрики (способные работать на современных техпроцессах типа 22 или даже 16 нм) стоимостью в несколько миллиардов долларов, нежели производить довольно «простые», но от того не менее дешевые, оптические компьютеры. Поэтому лучшее, что дружелюбными фотонами светит нам в ближайшем будущем – симбиоз двух эпох, то есть привычная полупроводниковая электроника, дополняющая оптику (а значит, значительно ограничивающая все ее плюсы). Примеры таких решений стали появляться года так с 1990 – именно тогда кузница нобелевских лауреатов в лице исследовательского центра Bell Labs создала первый рабочий прототип оптоэлектронного компьютера. В основу работы процессора были положены двухмерные матрицы бистабильных полупроводниковых элементов со множествами квантовых ям и электрооптическими свойствами.
Освещение элементов производилось полупроводниковым лазером (мощность излучения составила 10 мВт, длина волны – 850 нм) через голографическую решетку Даммена – после прохождения света через один диод, в цепи возникал ток, что приводило к падению напряжения на структуре решетки и к повышению пропускания света через вторую структуру. Таким образом возникала обратная связь и совокупность элементов образовывала логические ячейки ИЛИ-НЕ, ИЛИ-И и т.д. Чуть позже подобные компьютеры стали появляться и в других местах, как правило, связанных с военной промышленностью, авиацией, космосом и т.д.
Основой других устройств становились двухмерные матрицы и работало все на векторно-матричной логике, причем делалось это вполне показательно – тот же 32-разрядный RISC-процессор DOC-II (Digital Optical Computer) от компании OptiComp выполнял около 1000 двоичных операций в секунду. Сравнение станет понятней, если вы представите, что эта штука умела искать в текстовых документах заданное слово со скоростью 80000 страниц в секунду, то есть за какое-то мгновение обрабатывалось порядка 400 миллионов(!) знаков.
Оптический процессор DOC-II
Если же говорить в настоящем времени, то сейчас во всем мире есть только один коммерческий продукт подобного плана – гибридный чип EnLight256 от израильской компании Lenslet, способный выполнять до 8×1012 (8 тераоп) операций в секунду и в реальном времени обрабатывать до 15 потоков HD-видео. В этом оптическом процессоре данные одновременно поступают от 256 оптических входов — лучи 256 лазеров складываются или перемножаются, когда освещают специальную матрицу (пространственно-световой модулятор 256х256; размеры самого процессора при этом – 15х15 см). А выходные оптические сигналы результата вычислений считываются массивом из 256 световых детекторов… очевидно, что такие конструкции не предназначены для обычного «домашнего» применения, так что обзора в ближайшее время не ждите ) Из некоммерческих проектов сейчас существуют опытные образцы оптических процессоров, выполненных на «обычных» фабриках по технологии 65 и даже 32нм, но и с ними не так все просто.
Intel Light Peak
Первые радиолампы появились около века назад и сделали революцию. Относительно скоро им на смену пришли полупроводники, которые правят балом до сих пор… так что следующего революционного витка не избежать, но нужно понимать, что это процесс не быстрый. Большие задачи надо решать постепенно, разбив их на подзадачи – перед созданием оптических процессоров неплохо бы создать инфраструктуру, «набить руку» в более простых условиях. Чем, собственно, и занимается та компания, в блоге которой вы читаете эту статью. Разработки в области кремниевой фотоники компания Intel ведет далеко не первый день, причем на 2015 год уже запланировано массовое внедрение новых технологий. Хотя какой там 2015 год, если все началось еще пару лет назад.
Я говорю про осень 2009 года, когда компания Intel представила общественности технологию для передачи данных по оптическому волокну, с интересным кодовым названием Intel Light Peak.
Разработка предназначалась для соединения двух компьютеров на расстоянии до 100 метров и со скоростью до 10 Гбит/c. Может быть вас не удивляют эти цифры, но важно здесь отметить другое – по сути, эта технология стала светом в конце тоннеля, ведь первое, что нужно сделать до начала «новой эры» – отказаться от металлических проводников. Причем сделать это везде, где только возможно – не только от компьютера к компьютеру, но и даже внутри процессора. А вот уже потом можно будет браться и за программу «оптический компьютер в каждый дом». Но одним лишь интерфейсом Light Peak стратегии Intel в сфере ввода/вывода данных не ограничивается…
Intel Silicon Photonics Link
А как вам, для начала, скорость в 50 Гбит/c? Именно такую скорость (у первого опытного образца) подразумевает еще одна технология, анонсированная летом прошлого года и получившая название Intel Silicon Photonics Link. Несмотря на то, что технологии развиваются отдельно друг от друга, тут принцип действия во многом схож с Intel Light Peak.
В основе работы — кремниевый передатчик и чип-приемник; оба со всеми необходимыми уникальными компонентами от Intel, включая первый гибридный кремниево-лазерный чип (HSL), а также анонсированные в 2007 году высокоскоростные оптические модуляторы и фотодатчики.
Передающий чип и чип-приемник
Чип фотодетектора
Передающий чип состоит из четырех лазеров — их световые лучи попадают в оптический модулятор, который кодирует на них данные со скоростью 12,5 Гбит/с. После этого лучи комбинируются в единое оптоволокно с пропускной способностью 50 Гбит/с. На другом конце канала чип-приемник разделяет лучи и направляет их в фотодетекторы, преобразующие данные в электрические сигналы.
HSL (Hybrid Silicon Laser) — гибридный кремниевый чип-лазер
Где может понадобиться такая скорость? Понятное дело, что сперва это будут какие-то промышленные сценарии, типа соединительных магистралей между серверами или даже датацентрами.
Но когда технология станет более доступной, зуб даю, что в моде будут устройства с QuadHD-разрешением (2160p) и поддержкой 3D (хотя бы 120Гц) — так что с глубиной цвета в 48 бит новой технологии как раз будет едва хватать ) С другой стороны, ничто не мешает ее наращивать, увеличивая скорость модулятора и количество лазеров на чипе.
По словам исследователей, технология Intel Silicon Photonics Link позволит в будущем без проблем передавать данные на скорости до 1 Тбит/c – даже страшно представить, какие перспективы откроются при таких скоростях!
Intel Thunderbolt
Думаю, все вы знаете, что 24 февраля 2011 года состоялся анонс технологии Intel Thunderbolt, которая «случайно» в тот же день совпала с анонсом новых ноутбуков Macbook Pro от компании Apple. Два гиганта решили объединить свои усилия, в результате чего и появился новый интерфейс, имеющий много общего с Intel Light Peak.
Intel Thunderbolt (переводится как «удар молнии») в новых макбуках – интерфейс ввода-вывода для различных периферийных устройств, который основан одновременно (в рамках одного соединительного кабеля длиной до 3 метров) на двух протоколах: Displayport для передачи изображения с разрешением свыше 1080p и до восьми аудиоканалов, и PCI-Express 2.
0 4x для высокоскоростной передачи данных. Фактически, на борту новых макбуков появился внешний разъем PCI Express, о чем мечтали многие пользователи и даже производители. С новым разъемом совместимо существующее оборудование, оснащенное интерфейсом DisplayPort, причем общие разъемы подразумевают подключение нескольких устройств последовательно друг за другом («горячее» подключение поддерживается).
Теоретическая скорость передачи данных технологии Intel Thunderbolt составляет до 10 Гбит/c, но пока на практике получаются более скромные цифры — до 800 МБ/c (~6 Гбит/c). Но тоже неплохо!
По сути, Intel Light Peak является универсальной технологией, способной базироваться на любом протоколе, а Thunderbolt является лишь одной из интерпретаций. То есть получается, что новая технология вполне способна конкурировать со многими проводными интерфейсами (такими как SCSI, SATA, FireWire, Ethernet, HDMI и даже USB 3.0) даже без наличия электронно-оптических и оптоэлектронных преобразователей, с медью вместо оптики.
Что же будет дальше? Самому интересно.
| Примечательно, что название Thunderbolt встречается довольно часто. Например, из последнего — одноименную серию мощных блоков питания выпустила компания Thortech (дочерняя от GeIL), а компания HTC на CES2011 официально представила коммуникатор-тёзку с поддержкой LTE для Verizon. В игре Mafia2 был автомобиль Smith Thunderbolt, а в первом Quake так называлось одно из самых мощных оружий (оно же Lighting Gun). А если отдалиться от IT-сферы, то нельзя не упомянуть про два легендарных американских самолета – истребитель-бомбардировщик Republic P-47 Thunderbolt и штурмовик Fairchild Republic A-10 Thunderbolt II. Такой вот он разный бывает, этот болт! |
Суровая реальность
Надеюсь, я смог вас убедить в том, что прогресс не стоит на месте. Скажу больше — по историческим меркам должно пройти еще совсем немного времени до того момента, когда в компьютерном мире начнутся большие перемены, так что мы, можно сказать, почти вплотную приблизились к началу новой эпохи.
В интересное время живем, товарищи! Впрочем, не знаю как вам, а мне было приятно помечтать )
Если после прочтения статьи осталась непреодолимая тяга к познанию новых технологий, их принципов работы и технических особенностей, то можете начать с этого:
50G Silicon Photonics Link Intel Advances Silicon Photonics
3.85 Мб, на английском языке 434 Кб, на английском языке
Intel Silicon Photonics Link Hybrid Silicon Laser
219 Кб, на английском языке 1.43 Мб, на английском языке
Continuous Silicon Laser Optical Transceivers
167 Кб, на английском языке 1.52 Мб, на английском языке
Скоро в блоге компании будет интересный цикл статей — не пропустите!
Оптические процессоры освещают путь к вычислению фактора деформации
Вычисления со скоростью света назревали уже давно, но новое поколение оптических процессоров обещает быть быстрее и холоднее, чем электронные процессоры.
Данные передавались по глобальным сетям в виде световых импульсов на протяжении десятилетий, но оптические (или фотонные) вычисления медленно справлялись с задачами перемещения данных в форме света на уровне процессора: фотоны оказались намного сложнее для обработки. трафик, чем электроны. И хотя обычная обработка данных с каждым годом становилась все быстрее, казалось, что у технологов мало стимулов для решения оптической головоломки.
Однако в настоящее время общепризнано, что прирост вычислительной производительности при использовании традиционных процессорных архитектур зашел в тупик. Хуже того, физические ограничения на количество ядер, которые можно втиснуть в обычную ИС, достигаются точно так же, как передовые приложения в области ИИ и квантовых вычислений нуждаются в большей — гораздо большей — вычислительной мощности, чтобы окупить свою работу.
Конечно, закон Мура можно немного изменить с помощью параллельной обработки, которая разделяет и выполняет вычислительные задачи на нескольких микропроцессорах одновременно.
Но параллельная обработка также имеет свои ограничения и может добавить дополнительные уровни сложности к и без того очень сложным рабочим нагрузкам.
Кроме того, обычные вычисления с высокой плотностью ядер требуют сотен тераватт драгоценной энергии и выделяют огромное количество грязного тепла. Поэтому, когда такие аналитики, как ReportLinker, заявляют, что оптические процессоры уменьшат количество энергии, потребляемой некоторыми критически важными приложениями, по меньшей мере на 50 процентов, ИТ-индустрия обязательно примет это к сведению. Если эта цифра окажется осуществимой, возможности платформ на основе оптических процессоров будут очень привлекательными для операторов центров обработки данных, стремящихся предложить клиентам частного облака максимальную вычислительную мощность (это также чище).
Таким образом, все веские причины для недавнего возрождения инноваций в области полностью оптических вычислений, которые исходят от ученых-исследователей, представителей отрасли и стартапов, каждый из которых убежден в том, что оптическая обработка данных окажет серьезное преобразующее влияние на ИТ в ближайшем будущем.
полувека. Рыночные возможности, безусловно, есть, считают прогнозисты: по данным аналитика ReportLinker (декабрь 2020 г.), к 2025 г. мировой рынок фотонных процессоров, по прогнозам, будет стоить 20,13 млн долларов (14,29 млн фунтов стерлингов) — это годовой темп роста (CAGR) 28,3% за прогнозный период.
Хотя прирост производительности часто называют основным фактором в пользу оптической обработки, снижение энергопотребления и нагрева также является важным фактором, утверждают сторонники оптики. Насыщение в масштабировании Деннарда — «закон», который гласит, что, хотя транзисторы могут уменьшаться, а их энергопотребление — нет, — привело к тому, что высокопроизводительные электронные ИС текущего поколения достигли предела охлаждения, — говорит Ник Харрис, генеральный директор Lightmatter. -up, которая анонсировала свой фотонный процессор AI в августе 2020 года, а двумя месяцами позже Lightmatter Passage — программируемое фотонное межсоединение в масштабе пластины, которое позволяет массивам разнородных чипов взаимодействовать.
«Чтобы продолжать стимулировать рост вычислительных ресурсов, необходимых для разработки и выполнения современных моделей нейронных сетей, приложениям ИИ требуется повышенная скорость вычислений с энергоэффективностью», — говорит Харрис. Оптические вычисления в настоящее время являются «единственным решением, способным поддерживать темпы инноваций в области искусственного интеллекта, необходимые для окупаемости инвестиций».
Специалист по оптическим сопроцессорам Optalysys, генеральный директор и основатель доктор Ник Нью соглашается. В качестве примера он приводит Generative Pre-trained Transformer 3 (GPT-3) OpenAI — модель авторегрессивного языка, которая использует глубокое обучение для создания текста, похожего на человеческий.
«GPT-3 имеет 175 миллиардов параметров — это более чем на два порядка больше, чем у его предшественника, GPT-2», — объясняет Нью. «Запуск подобных моделей на выделенном оборудовании, таком как Google TPU 3.0 AI ASIC, включает водяное охлаждение каждого из [285 000] ядер ЦП мощностью 300 Вт.
Без принятия принципиально иных методов обработки данных у нас остается возможность использовать больше ядер, больше охлаждения и, в конечном счете, все больше электроэнергии. Это нежизнеспособно».
New полагает, что рынок ИТ должен признать, что актуальность закона Мура (наблюдение о том, что количество транзисторов в плотной интегральной схеме удваивается примерно каждые два года) прошла, и что фотонная обработка требует различных способов понимания обеспечения вычислительная мощность. Однако это не означает, что прогресс в развитии оптических/фотонных процессоров будет незаконным.
«Оптические вычисления будут подчиняться множеству «законов», охватывающих не только физический размер модуляторов, но и эффективность электрооптического и аналого-цифрового преобразования сигналов и чувствительность фотодетекторов», — предсказывает Нью.
По словам Харриса из Lightmatter, технологии оптических вычислений ориентированы на процесс вывода в контексте ИИ с двумя основными показателями производительности: выводами в секунду (IPS) и выводами в секунду на ватт (IPSW).
. Он говорит: «Закон о фотонных вычислениях, эквивалентный закону Мура, гласит, что IPS и IPSW [отныне] будут удваиваться каждые два года — и это действительно является целью моей команды».
Харрис добавляет: «Размеры оптических устройств вряд ли претерпят значительное уменьшение площади каждого компонента, но масштабирование производительности фотонных компьютеров, вероятно, значительно увеличится. Это связано с возможностью увеличения количества цветов — то есть длин волн — в фотонном компьютере, которые могут одновременно обрабатываться вычислительным ядром, а также тактовой частоты».
Optalysys запустила свой фотонный сопроцессор Fourier Engine, FT: X 2000, в марте 2019 года.. Он основан на преобразовании Фурье, математическом преобразовании, которое разлагает функции, зависящие от пространства или времени, на функции, зависящие от пространственной или временной частоты. Этот термин относится как к представлению в частотной области, так и к математической операции, которая связывает представление в частотной области с функцией пространства или времени.
«Интегрированный кремниевый фотонный сопроцессор Optalysys имеет оптические схемы, построенные на одном куске кремния», — говорится в сообщении компании. «Он использует интерференционные свойства света для выполнения преобразования Фурье со скоростью и энергопотреблением, которые ранее были невозможны».
Подход Lightmatter основан на так называемой архитектуре программируемого нанофотонного процессора, оптического процессора, реализованного в кремниевой фотонике, который выполняет матричные преобразования света. Это основано на массиве двумерных интерферометров Маха-Цендера (MZI), изготовленных в процессе кремниевой фотоники. Интерферометр Маха-Цендера — это устройство, используемое для определения относительных изменений фазового сдвига между двумя коллимированными световыми лучами, полученными путем разделения света от одного источника.
«Для реализации матричного произведения N на N наш подход требует N² MZI — столько же вычислительных элементов, сколько используется систолическими массивами MAC [Multiply-Accumulate]», — объясняет Харрис.
«Математически каждый MZI выполняет матрично-векторное произведение 2 на 2. Вместе вся сетка MZI умножает матрицу N на N на вектор из N элементов. Вычисления происходят по мере того, как свет проходит от входа к выходу массива ИМЦ в течение времени прохождения оптических сигналов около 100 пикосекунд — меньше, чем один тактовый цикл большинства компьютеров».
В начале этого года международная исследовательская группа из университетов Мюнстера, Оксфорда, Эксетера, Питтсбурга, Федеральной политехнической школы Лозанны совместно с IBM Research Zurich объявила о разработке архитектуры ИС ускорителя, которая сочетает в себе интегрированные фотонные устройства с фазовой -изменение материалов (PCM) для обеспечения умножения матрицы на вектор (MV) — расчеты, которые считаются обязательными для приложений искусственного интеллекта и машинного обучения.
Команда разработала «интегрированный фотонный сопроцессор с фазовым переходом» или сокращенно фотонный процессор (PPU). Это новый тип фотонного тензорного процессора (ускоритель искусственного интеллекта ASIC, разработанный Google для машинного обучения нейронных сетей), который способен выполнять несколько умножений MV одновременно и параллельно, используя частотную гребенку на основе чипа в качестве источника света.
, а также мультиплексирование с разделением по длине волны (мультиплексирование нескольких оптических несущих сигналов в одно оптическое волокно с использованием различных длин волн лазерного излучения).
Элементы матрицы были сохранены с использованием материалов с фазовым переходом — того же материала, который используется для перезаписываемых дисков DVD и Blu-ray — что позволяет сохранять состояния матрицы без необходимости подачи энергии.
«С точки зрения дифференциации, я бы сказал, что PPU обеспечивает гораздо более широкую полосу пропускания, чем «основные» подходы к фотонике, которые основаны на манипулировании оптической фазой и требуют когерентных источников света», — объясняет профессор С. Дэвид Райт из Эксетерского университета. «В этом подходе используются энергонезависимые модули PCM, которые позволяют нашему устройству одновременно выполнять функции памяти и процессора. Элементы матрицы хранятся непосредственно в устройстве, выполняющем умножение матрицы на вектор — отдельная память не требуется».
В своих экспериментах команда использовала PPU в так называемой сверточной нейронной сети для распознавания рукописных чисел и фильтрации изображений. Проект PPU претендует на то, чтобы первым применить частотные гребенки в области искусственных нейронных сетей.
У PPU может быть широкий спектр применений, говорит коллега Райта по команде Хариш Бхаскаран, профессор прикладных наноматериалов в Оксфордском университете. «Например, он мог бы быстро и эффективно обрабатывать огромные наборы данных, используемых для медицинских диагнозов, таких как компьютерная томография, магнитно-резонансная томография и ПЭТ-сканеры».
Оптический ускоритель Массачусетского технологического института
Кодирование данных с помощью оптических сигналов
В 2019 году исследователи Исследовательской лаборатории электроники Массачусетского технологического института начали разработку чипов оптического ускорителя для оптических нейронных сетей. Их прототипы работали с гораздо большей эффективностью, чем электронные процессоры, но полагались на громоздкие оптические компоненты, которые ограничили бы их использование относительно небольшими сетями.
С тех пор та же команда описала продолжение оптического ускорителя, основанное на более компактных оптических компонентах и методах обработки оптических сигналов. Это масштабируется для нейронных сетей, которые намного больше, чем могут обрабатывать эквивалентные электронные процессоры, утверждает Массачусетский технологический институт.
Вместо того, чтобы полагаться на матричное умножение с использованием интерферометров Маха Цендера (которые, по словам Массачусетского технологического института, накладывают ограничения на масштабирование), процессор полагается на более компактную, энергоэффективную оптоэлектронную схему, которая кодирует данные с помощью оптических сигналов, но использует «сбалансированное гомодинное обнаружение». ‘.
Бристольский университет квантовой инженерии
В поисках одиночных малошумящих фотонов
Другая исследовательская группа из Лаборатории квантовых инженерных технологий Бристольского университета сосредоточилась на потенциале оптической обработки для приложений квантовых вычислений.
«Критической проблемой, ограничивающей масштабирование интегрированной квантовой фотоники, является отсутствие встроенных в процессор источников, способных генерировать высококачественные одиночные фотоны», — объясняет руководитель проекта доктор Стефано Паэсани.
«Без малошумящих источников фотонов ошибки в квантовых вычислениях быстро накапливаются, когда [увеличивается] сложность схемы, что приводит к тому, что вычисления перестают быть надежными. Более того, оптические потери в источниках ограничивают количество фотонов, которые квантовый компьютер может произвести и обработать».
Бристольская группа в партнерстве с итальянским Университетом Тренто разработала метод для решения этой проблемы и при этом разработала то, что они заявляют как первый интегрированный источник фотонов, совместимый с крупномасштабной квантовой фотоникой: метод, называемый «между -модальное спонтанное четырехволновое смешение». При этом множественные моды света, распространяющегося через кремниевый волновод, интерферируют нелинейно.
«Это создает идеальные условия для генерации одиночных фотонов», — говорит доктор Паэсани. «Кроме того, устройство было изготовлено с использованием КМОП-совместимых процессов на коммерческом кремниевом заводе, что означает, что тысячи источников могут быть легко интегрированы в одно устройство».
NTT «Транзистор O-E-O»
Нанорезонаторы действуют как нанопереключатели
В 2019 году в Японии исследовательская группа NTT Basic Research Laboratories создала PAXEL (Photonic AccELerator), электрооптический модулятор, работающий на скорости 40 Гбит/с, но потребляющий всего 42 аттоджоуля на бит. Затем исследователи сконструировали фотоприемник (опто-электрический или O-E преобразователь) на основе тех же технологий, который мог работать на скорости 10 Гбит/с, потребляя на два порядка меньше энергии, чем другие оптические системы, всего 1,6 фемтоджоуля на бит. . O-E не требует усилителя (что снижает потребность в мощности) и имеет низкую емкость, всего несколько фемтофарад.
Объединив Э-О и О-Е, команда NTT продемонстрировала то, что они назвали первым в мире «транзистором О-Э-О». Он может функционировать как полностью оптический переключатель, преобразователь длины волны и повторитель. Это развитие стало возможным благодаря изобретению фотонного «кристалла» нового типа (синтетический изолирующий материал, контролирующий свет).
Это кусок кремния с тремя просверленными нанополостями (отверстиями) длиной 1,3 мкм, которые устроены так, что если свет проходит через них, то он интерферирует сам с собой, вызывая его нейтрализацию. Если линия нанополостей заблокирована, то свет следует по пути и направляется в светопоглощающий материал, который преобразует его в ток. Эта же система работает и в обратном направлении.
Подпишитесь на электронную рассылку E&T News, чтобы каждый день получать подобные замечательные истории на свой почтовый ящик.
Первый в мире сверхбыстрый процессор фотонных вычислений, использующий поляризацию
Авторы и права: Джун Санг Ли, Оксфордский университет В статье, опубликованной сегодня в журнале Science Advances , исследователи из Оксфордского университета разработали метод, использующий поляризацию света для увеличения плотности хранения информации и производительности вычислений с использованием нанопроводов.
У света есть полезное свойство — световые волны разных длин не взаимодействуют друг с другом — характеристика, используемая оптоволокном для передачи параллельных потоков данных. Точно так же разные поляризации света не взаимодействуют друг с другом. Каждая поляризация может использоваться как независимый информационный канал, что позволяет хранить больше информации в нескольких каналах, значительно повышая плотность информации.
Первый автор и студентка докторской степени Джун Сэнг Ли, факультет материалов Оксфордского университета, сказала: «Мы все знаем, что преимущество фотоники перед электроникой заключается в том, что свет быстрее и функциональнее в больших полосах пропускания. Итак, наша цель состояла в том, чтобы полностью использовать такие преимущества фотоники в сочетании с настраиваемым материалом для реализации более быстрой и плотной обработки информации».
Поляризация как независимый канал.
Предоставлено: Джун Санг Ли, Департамент материалов, Оксфордский университет. В сотрудничестве с профессором К. Дэвидом Райтом, Эксетерский университет, исследовательская группа разработала нанопроволоку HAD (гибридизированный активный диэлектрик) с использованием гибридного стекловидного материала, который показывает переключаемые свойства материала при освещении оптическими импульсами. Каждая нанопроволока показывает избирательные ответы на определенное направление поляризации, поэтому информация может обрабатываться одновременно с использованием нескольких поляризаций в разных направлениях.
Используя эту концепцию, исследователи разработали первый фотонный вычислительный процессор, использующий поляризацию света.
Фотонные вычисления осуществляются через несколько каналов поляризации, что приводит к увеличению вычислительной плотности на несколько порядков по сравнению с обычными электронными чипами. Скорость вычислений выше, потому что эти нанопроволоки модулируются наносекундными оптическими импульсами.
С момента изобретения первой интегральной схемы в 1958 году размещение большего количества транзисторов в электронном чипе заданного размера стало основным средством максимизации вычислительной плотности — так называемый «закон Мура». Однако с учетом того, что для искусственного интеллекта и машинного обучения требуется специализированное оборудование, которое начинает раздвигать границы устоявшихся вычислений, доминирующим вопросом в этой области электронной инженерии был «Как мы можем упаковать больше функций в один транзистор?»
Уже более десяти лет исследователи из лаборатории профессора Хариша Бхаскарана на факультете материалов Оксфордского университета изучают возможность использования света в качестве средства для вычислений.
Нанопроволока с гибридным активным диэлектриком (HAD) избирательно переключается по поляризации, и реализуются параллельные фотонные вычисления.
Предоставлено: Джун Санг Ли, Департамент материалов, Оксфордский университет.Профессор Бхаскаран, руководивший работой, сказал: «Это только начало того, что мы хотели бы видеть в будущем, а именно использование всех степеней свободы, которые предлагает свет, включая поляризацию, для резкого распараллеливания обработки информации. Определенно рано. -сценическая работа, но супер захватывающие идеи, которые сочетают в себе электронику, нелинейные материалы и вычисления. Множество захватывающих перспектив, над которыми всегда приятно поработать.”
Дополнительная информация: Джун Санг Ли и др., Поляризационно-селективная реконфигурируемость в нанопроволоках с гибридным активным диэлектриком, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.abn9459. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abn9459
Предоставлено Оксфордский университет
Цитата :
Первый в мире процессор для сверхбыстрых фотонных вычислений с использованием поляризации (15 июня 2022 г.
