Методът намалява разхода на енергия и увеличава скоростта на операциите
Край на терзанията колко много ток поглъща ненаситният изкуствен интелект, докато бъде обучен. Инженери от университета в Пенсилвания създадоха чип, който позволява безкрайните изчисления, алгоритмите и хардуерът, нужни за тренирането на AI, да се захранват със светлина.
Този първи в света фотонен процесор, който може да използва светлинни лъчи за обучение на системи с изкуствен интелект, има потенциал да действа по-бързо и с по-малко ток. Това ще намали потреблението на енергия и ще увеличи скоростта на операциите, смятат иноваторите, които публикуват революционното си постижение в научния журнал Nature Photonics.
“Днес повечето форми на изкуствен интелект работят на специализирани чипове, наречени графични процесори. Те са бързи, но енергоемки. Цената за обучение на авангардни модели изкуствен интелект като GPT-4 може да достигне милиони долари под формата на въглеродни емисии”, казва д-р Михай Андрей от специализираното издание за наука ZME Science. Затова учените търсят алтернативи, а светлината се оказва една от тях. Тя е бърза, не се нагрява за разлика от електричеството, може да се движи в паралелни лъчи и така да обработва множество сигнали едновременно. Тук обаче идва голямото “но”. Светлината се движи по права линиия, а
изкуственият интелект се нуждае от нелинейни обрати
Затова повечето познати чипове със светлинна мощност не успяват да използват светлината и за нелинейни функции.
“Нелинейните функции са от решаващо значение за обучението на дълбоки невронни мрежи. Нашата цел бе да направим това възможно”, казва Лян Фън, водещ автор на научната публикация в Nature Photonics. Чипът, който успяват да проектират, обучава невронни мрежи изцяло със светлина, намалявайки потреблението на енергия и увеличавайки скоростта. За да постигнат това, иноваторите създават специален полупроводник, който реагира на светлина. След това използват два лъча: единият носи данните, а вторият като своеобразна невидима ръка оформя реакциите на материала. Това взаимодействие симулира нелинейни математически функции, подобни на тези в невронните мрежи, нужни за вземане на решения. За радост на изследователите това става, без да се променя физическата структура на чипа, обяснява Фън.
Новият дизайн е много подходящ за машинно обучение, при което чиповете трябва да адаптират поведението си в зависимост от поставените задачи и да бъдат програмируеми не само при настройка, но и при работа.
Екипът тествал иновацията си върху класически предизвикателства за машинно обучение, каквито са например разграничаване на разновидности в сходни изображения или разпознаване на изговорени думи. С течение на времето чипът успял да настрои вътрешните си светлинни модели и да подобри точността. В един момент постигнал точност 96,7, използвайки много по-малко връзки в сравнение с традиционните цифрови мрежи, което е значително превъзходство над линейни фотонни системи.
Технологията все още е в начален етап и мащабирането ще отнеме време. Следващите стъпки включват интегриране на чипа със съществуващи силициеви фотонни платформи и изследване на приложения за изображения, реч и роботика, но основната концепция - програмирането на светлината за нелинейни изчисления, каквито изисква изкуственият интелект, вече е доказана.
Разработки като тази, които разчитат на светлината за усъвършенстване на изкуствения интелект, идват тъкмо навреме. Неотдавна стана известно, че
центровете за данни по света гълтат повече електричество, отколкото цяла Франция
И се очаква разходът на енергия да се утрои до 2030 г. Затова всяка иновация, която води до спестяване на тази енергия, е добре дошла.
Американските иноватори съвсем не са единствените, които осъзнават огромния потенциал на фотониката – науката и технологията на светлината.
Неотдавна учени от изследователската група на екипа за квантови материали в Люксембургския институт за наука и технологии (LIST) съобщиха, че проучват ново приложение на светлината. В основата на тази технология са кубити, базирани на оптично активни завъртания в полупроводников кристал – така наречените цветни центрове. Те се основават на атомно малки дефекти или примеси в техния иначе перфектен кристал гостоприемник, което води до системи с подобни на единичен атом квантови свойства. Според д-р Флориан Кайзер, който ръководи проекта, фотоните, излъчвани от цветни центрове, могат да служат като комуникационна шина за прехвърляне на квантова информация.
Идеята не е нова. През последните две десетилетия бяха направени експерименти с цветни центрове в диаманти, но учените, разбира се, отчетоха, че това би било едно доста скъпо удоволствие. Затова се фокусираха върху замяната на диаманта с по-съвместими с индустрията материали. Такъв се оказа силициевият карбид, а първите опити за микроинтеграция тъкмо във фотонни квантови чипове са обещаващи.
“Това, което прави силициевия карбид уникален сред другите платформи за квантова технология, е, че той е утвърден, промишлено произвеждан полупроводник. Това ни позволи да използваме стандартни електронни устройства, чрез които шумът от заряда около цветните центрове може да бъде потиснат. За да подобрим възпроизводимостта им, трябва да оптимизираме всяка стъпка, за да сведем до минимум нежеланото увреждане на кристалите, когато интегрираме необходимите фотонни наноструктури в чистата стая”, казва д-р Кайзер.
За да заработи идеята за високопроизводителни фотонни квантови чипове, тя трябва да се мащабира чрез нанопроизводство. Това, изглежда, е въпрос на време. Екипът вече е получил приблизително 4,5 млн. евро от правителството на Люксембург и около 3 млн. евро от Европейския съвет за научни изследвания.
Финландски студенти участват във фотонни иновации
Когато нямаш нещо, оценяваш колко ценно е то. Това е едно от възможните обяснения за „любовната история“ на Финландия със светлината. Мракът, който превзема скандинавската страна през зимата, би могъл да бъде сериозна мотивация за иновативно-авангардното отношение към светлината, което започва със създаването на технологичен клъстер Photonics Finland преди почти 30 години.
Днес бумът е очевиден - 340 компании, 7500 специалисти, европейски пазар за 2.5 милиарда евро, 25% растеж на година. Финландия е един от центровете на фотониката в Европа.
Един от 3-те града, които захранват модерна индустрия с млади дарования, е Йоенсуу - на около час път със самолет от Хелзинки. Тук се намира Изследователският център по фотоника към Университета на Източна Финландия, който през 2023 г. стартира единствената международна магистърска програма по фотоника в страната и единствената, която осигурява стипендии на повече от 100 студенти. Заедно с 3 програми Erasmus Mundus, 2 програми с двойни дипломи и докторските програми това е идеалното място, ако искате да правите кариера във фотониката.
Онова, което привлича изкушените от фотониката млади хора от цял свят, е привилегията да виждат почти всеки ден практическия резултат от своите академични занимания. Докато завършат, всички са участвали в приложни проучвания, в създаване на нови продукти или в комерсиализация и мащабиране на вече създадени в някоя от лаборатириите по фотоника, които се занимават с проучване и усъвършенстване на силата на светлината.
В 12-ия по големина финландски град се намира и централният офис на Photonics Finland и на Европейското оптично дружество. През 2023 г. тъкмо тук стартира проект за фотонни иновации, а Университетът на Източна Финландия участва в платформата за фотонни изследвания PREIN заедно с още 2 финландски университета - “Тампере” и “Аалто”, и Технически изследователски център.
В Центъра по фотоника в Йоенсуу се правят изследвания в областта на микро- и нанофотониката, които участват в програмата “Чипове за Европа”.
Главна роля за това играе технологичната платформа Photonics21 на ЕС. Тя координира приоритетите на изследванията и иновациите в областта на фотониката на Стария континент за разработване на фотонни технологии в областта на светлинната индустрия, производството, здравните технологии, сигурността и образованието. За целта мултидисциплинарен изследователски консорциум от експерти по биология, химия, компютърни науки, медицина и фундаментална и приложна физика работи за създаване на приложения в електрониката, горското стопанство, околната среда, сигурността, медицината и фармацията.
В центъра в Йоенсуу покриват цялата иновационна верига – от изследвания за фундаменталните свойства на светлината и теориите за електромагнитна кохерентност и поляризация до взаимодействията между светлина и материя. Изследванията на фотонни материали включват въглеродни и други видове наноматериали. Един от фокусите е т.нар. интегрирана оптика. Тя проправя път към миниатюризация за пълноценни оптични комуникационни и сензорни системи. Приложните изследвания обхващат биологични и екологични приложения на фотониката, а мащабното производство – оптични микро- и наноструктури и 3D-принтирана макроскопична оптика. В много от изследванията университетът си партнира със стартъпи, а въпрос на договор е как поделят бъдещите печалби.
