Η εποχή που η τεχνητή νοημοσύνη λειτουργεί κυριολεκτικά με την ταχύτητα του φωτός μόλις ξεκίνησε. Μια ερευνητική ομάδα του Tsinghua University παρουσίασε το Optical Feature Extraction Engine (OFE2), έναν επεξεργαστή που χρησιμοποιεί φως αντί για ηλεκτρικό ρεύμα, επιτυγχάνοντας ταχύτητες επεξεργασίας που μέχρι τώρα θεωρούνταν αδύνατες. Η συσκευή λειτουργεί στα 12,5 GHz και υπόσχεται να επαναπροσδιορίσει τον τρόπο που οι υπολογιστές χειρίζονται δεδομένα για εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης.
Οι σύγχρονες εφαρμογές AI – από τη ρομποτική χειρουργική μέχρι τις χρηματοοικονομικές συναλλαγές υψηλής συχνότητας – βασίζονται στην ταχύτατη ανάλυση τεράστιων ποσοτήτων δεδομένων. Ωστόσο, οι παραδοσιακοί ηλεκτρονικοί επεξεργαστές έχουν αρχίσει να αγγίζουν τα φυσικά τους όρια. Οι καθυστερήσεις (latency) και η αυξανόμενη ενεργειακή κατανάλωση αποτελούν ανασταλτικούς παράγοντες για περαιτέρω πρόοδο.
Η λύση φαίνεται να έρχεται από έναν παλιό γνώριμο της Φυσικής: το φως. Η οπτική πληροφορική – η χρήση φωτονίων αντί για ηλεκτρόνια για την εκτέλεση μαθηματικών πράξεων – επανέρχεται δυναμικά ως τεχνολογία αιχμής. Οι ερευνητές βλέπουν σε αυτήν τη δυνατότητα να εκτελούνται πολλαπλές πράξεις ταυτόχρονα, με ελάχιστη απώλεια ενέργειας και πρακτικά μηδενική καθυστέρηση.
Ωστόσο, η υλοποίηση ενός σταθερού, συνεκτικού φωτεινού πεδίου για τέτοιους υπολογισμούς σε συχνότητες άνω των 10 GHz είχε αποδειχθεί εξαιρετικά δύσκολη. Αυτό ακριβώς το εμπόδιο κατάφερε να ξεπεράσει η ομάδα του καθηγητή Hongwei Chen στο Tsinghua University, δημιουργώντας μια πρωτοποριακή αρχιτεκτονική που συνδυάζει ακρίβεια, σταθερότητα και ταχύτητα.
Η καινοτομία του OFE2 απαντάται στον τρόπο που προετοιμάζει και επεξεργάζεται τα δεδομένα. Η μετάδοση γρήγορων, παράλληλων οπτικών σημάτων χωρίς να χάνεται η φασική συνοχή αποτελεί ένα από τα μεγαλύτερα τεχνικά εμπόδια στην οπτική πληροφορική. Οι περισσότερες λύσεις που βασίζονται σε οπτικές ίνες δημιουργούν ανεπιθύμητες μεταβολές στη φάση του φωτός, επηρεάζοντας την ακρίβεια των υπολογισμών.
Η ομάδα του Chen σχεδίασε μια πλήρως ενσωματωμένη on-chip πλατφόρμα με ρυθμιζόμενους διαιρέτες ισχύος και γραμμές καθυστέρησης ακριβείας. Αυτό το σύστημα μετατρέπει σειριακά δεδομένα σε συγχρονισμένα οπτικά κανάλια, ενώ μια ενσωματωμένη συστοιχία φάσης επιτρέπει στο OFE2 να επαναπρογραμματίζεται δυναμικά ανάλογα με το είδος του υπολογιστικού έργου.
Όταν τα δεδομένα προετοιμαστούν, περνούν μέσα από έναν οπτικό διαθλαστικό τελεστή – έναν μηχανισμό που λειτουργεί ουσιαστικά σαν ένας πίνακας-διάνυσμα πολλαπλασιασμού, μόνο που αντί για ηλεκτρικά σήματα χρησιμοποιεί φωτεινά κύματα. Αυτά τα κύματα αλληλεπιδρούν δημιουργώντας χαρακτηριστικά φωτεινά “σημεία” σε συγκεκριμένες εξόδους. Με τον κατάλληλο έλεγχο της φάσης, το OFE2 μπορεί να εστιάσει το φως με τέτοιο τρόπο ώστε να “διαβάζει” με εξαιρετική λεπτομέρεια τις μεταβολές των εισερχόμενων δεδομένων.
Το OFE2 λειτουργεί στα 12,5 GHz, ολοκληρώνοντας έναν ολόκληρο υπολογισμό πίνακα-διανύσματος σε μόλις 250,5 picoseconds, επίδοση που αποτελεί νέο παγκόσμιο ρεκόρ για οπτική πληφορική. Όπως σημειώνει ο Chen, η επίτευξη αυτή «θέτει νέο σημείο αναφοράς για την ολοκληρωμένη οπτική διαθλαστική υπολογιστική, ξεπερνώντας το φράγμα των 10 GHz σε πραγματικές εφαρμογές».
Οι ερευνητές δοκίμασαν το σύστημα σε διάφορα σενάρια. Στην επεξεργασία εικόνας, το OFE2 κατάφερε να εντοπίσει με ακρίβεια τα περιγράμματα αντικειμένων και να δημιουργήσει «ανάγλυφους» χάρτες που βελτίωσαν σημαντικά την ταξινόμηση εικόνων. Σε εφαρμογές ιατρικής, όπως η ανάλυση δεδομένων από αξονικές τομογραφίες, το OFE2 βελτίωσε την ακρίβεια εντοπισμού οργάνων μειώνοντας παράλληλα τις απαιτήσεις σε ηλεκτρονικούς πόρους. Με άλλα λόγια, τα συστήματα που συνδυάζουν οπτική και ψηφιακή επεξεργασία αποδεικνύονται πιο γρήγορα και ενεργειακά αποδοτικά από τα καθαρά ηλεκτρονικά μοντέλα.
Αλλά ίσως η πιο εντυπωσιακή εφαρμογή του νέου επεξεργαστή είναι στον κόσμο των χρηματιστηριακών συναλλαγών υψηλής ταχύτητας. Η ομάδα της Tsinghua χρησιμοποίησε το OFE2 για να επεξεργάζεται σε πραγματικό χρόνο δεδομένα αγοράς, παράγοντας απευθείας αποφάσεις αγοράς ή πώλησης. Αφού εκπαιδεύτηκε με βελτιστοποιημένες στρατηγικές, το σύστημα μετέτρεπε αμέσως τα εισερχόμενα σήματα τιμών σε ενέργειες, εξασφαλίζοντας συνεπείς αποδόσεις. Και όλα αυτά με την ταχύτητα του φωτός.
Οι επιδόσεις του OFE2 δείχνουν ότι η οπτική πληροφορική έχει πλέον ωριμάσει αρκετά ώστε να εγκαταλείψει το εργαστήριο και να περάσει σε εμπορικές εφαρμογές. Με τη μεταφορά των πιο απαιτητικών σταδίων της επεξεργασίας από τα ενεργοβόρα ηλεκτρονικά τσιπ στα φωτονικά συστήματα, η τεχνητή νοημοσύνη μπορεί να γίνει ταυτόχρονα πιο γρήγορη, πιο αποδοτική και πιο φιλική προς το περιβάλλον.
Όπως επισημαίνει ο Chen, «οι εξελίξεις που παρουσιάζουμε ωθούν την ολοκληρωμένη οπτική υπολογιστική σε νέα επίπεδα, παρέχοντας υπολογιστική ισχύ για υπηρεσίες υψηλής έντασης δεδομένων, από την αναγνώριση εικόνας και την υποβοηθούμενη υγειονομική περίθαλψη μέχρι τη χρηματοοικονομική τεχνολογία». Η ομάδα του δηλώνει ανοιχτή σε συνεργασίες με οργανισμούς που χρειάζονται επεξεργασία δεδομένων σε κλίμακα.
[source]
