Ογδόντα χρόνια μετά τη δημιουργία του ENIAC, του πρώτου ηλεκτρονικού υπολογιστή γενικής χρήσης στον κόσμο, ερευνητές στο Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια εξερευνούν έναν νέο τρόπο για να τροφοδοτήσουν το μέλλον των υπολογιστών. Αντί να βασίζονται εξ ολοκλήρου στα ηλεκτρόνια, τα οποία αποτελούν τη ραχοκοκαλιά των υπολογιστών από τη δεκαετία του 1940, οι επιστήμονες στρέφονται τώρα στο φως.
Το ENIAC, που αναπτύχθηκε από τους ερευνητές του Penn, J. Presper Eckert και John Mauchly, βοήθησε στην εισαγωγή της σύγχρονης εποχής των υπολογιστών χρησιμοποιώντας τη ροή ηλεκτρονίων για την επίλυση πολύπλοκων μαθηματικών προβλημάτων. Αυτός ο ίδιος ηλεκτρονικός μηχανισμός εξακολουθεί να τροφοδοτεί τους σημερινούς υπολογιστές, τα smartphone και τα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης, αλλά καθώς η τεχνητή νοημοσύνη αυξάνεται σε ζήτηση, τα όρια του υλικού που βασίζεται σε ηλεκτρόνια γίνονται όλο και πιο δύσκολο να αγνοηθούν.
Γιατί τα ηλεκτρόνια φτάνουν στα όριά τους;
Τα ηλεκτρόνια φέρουν ηλεκτρικό φορτίο, το οποίο θέτει αρκετές προκλήσεις στα σύγχρονα τσιπ υπολογιστών. Καθώς κινούνται μέσα στην ύλη, παράγουν θερμότητα και συναντούν αντίσταση που διαχέει ενέργεια. Αυτά τα προβλήματα γίνονται πιο δύσκολα καθώς τα τσιπ γίνονται πιο πολύπλοκα και επεξεργάζονται μεγάλες ποσότητες δεδομένων για εφαρμογές τεχνητής νοημοσύνης.
Ερευνητές με επικεφαλής τον φυσικό του Penn Bo Jane στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών πιστεύουν ότι τα φωτόνια, τα σωματίδια που συνθέτουν το φως, μπορούν να βοηθήσουν στην επίλυση ορισμένων από αυτά τα προβλήματα.
«Επειδή είναι ουδέτερα ως προς το φορτίο και έχουν μηδενική μάζα ηρεμίας, τα φωτόνια μπορούν να μεταφέρουν πληροφορίες γρήγορα σε μεγάλες αποστάσεις με ελάχιστη απώλεια, κυριαρχώντας στην τεχνολογία των επικοινωνιών», εξηγεί ο Li He, ο πρώτος συγγραφέας μιας δημοσιευμένης εργασίας. Επιστολή φυσικής αναθεώρησης και είναι πρώην μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Jane Lab. «Αλλά αυτή η ουδετερότητα σημαίνει ότι μόλις και μετά βίας αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον τους, καθιστώντας τους κακούς στη λογική εναλλαγής σήματος στην οποία βασίζονται οι υπολογιστές».
Με άλλα λόγια, το φως είναι εξαιρετικό για τη μεταφορά πληροφοριών γρήγορα και αποτελεσματικά, αλλά παλεύει με τις λειτουργίες μεταγωγής που απαιτούνται για τους υπολογιστές.
Συνδυασμός φωτός και ύλης για AI Computing
Για να ξεπεράσει αυτό το πρόβλημα, η ομάδα της Τζέιν δημιούργησε ένα ειδικό οιονεί σωματίδιο που ονομάζεται εξιτόνιο-πολάριτον. Το σωματίδιο δημιουργείται όταν τα φωτόνια συνδέονται ισχυρά με ηλεκτρόνια μέσα σε έναν ατομικά λεπτό ημιαγωγό. Αυτός ο συνδυασμός επιτρέπει στο φως να επικοινωνεί πιο αποτελεσματικά, επιτρέποντάς του να εκτελεί την εναλλαγή σήματος που είναι απαραίτητη για υπολογιστικές εργασίες.
Η πρόοδος θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα σημαντική για τα συστήματα τεχνητής νοημοσύνης, τα οποία καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας.
Πολλά πειραματικά τσιπ φωτονικής τεχνητής νοημοσύνης χρησιμοποιούν ήδη φως για να εκτελέσουν ορισμένους υπολογισμούς σε υψηλές ταχύτητες. Ωστόσο, όταν αυτά τα συστήματα χρειάζεται να εκτελέσουν μη γραμμικά βήματα ενεργοποίησης, όπως λειτουργίες λήψης αποφάσεων, πρέπει να μετατρέψουν τα φωτεινά σήματα σε ηλεκτρονικά. Αυτή η μετατροπή επιβραδύνει τη διαδικασία και αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας, μειώνοντας τα οφέλη του φωτονικού υπολογισμού.
Χρησιμοποιώντας εξιτονικά-πολαριτόνια, οι ερευνητές του Penn έδειξαν εναλλαγή όλων των φώτων ενώ χρησιμοποίησαν μόνο 4 τετράδισεκατομμυριοστά του τζάουλ ενέργειας. Αυτή η ποσότητα είναι εξαιρετικά μικρή, πολύ μικρότερη από την ισχύ που απαιτείται για τη σύντομη τροφοδοσία ενός μικροσκοπικού φωτός LED.
Προς ταχύτερα και πιο αποτελεσματικά τσιπ AI
Εάν η τεχνολογία μπορεί να κλιμακωθεί με επιτυχία, θα μπορούσε να οδηγήσει σε φωτονικά τσιπ ικανά να επεξεργάζονται δεδομένα απευθείας από κάμερες χωρίς επαναλαμβανόμενες μετατροπές μεταξύ φωτός και ηλεκτρικής ενέργειας. Η προσέγγιση θα μπορούσε να μειώσει τις τεράστιες απαιτήσεις ισχύος μεγάλων συστημάτων τεχνητής νοημοσύνης και ενδεχομένως να υποστηρίξει θεμελιώδεις λειτουργίες κβαντικών υπολογιστών σε μελλοντικά τσιπ.
Ο Bo Jenn είναι ο Jean Kay Lee Προεδρικός Αναπληρωτής Καθηγητής στο Τμήμα Φυσικής και Αστρονομίας στη Σχολή Τεχνών και Επιστημών του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια.
Ο Lee ήταν μεταδιδακτορικός ερευνητής στο Zen Lab στο Penn Arts and Sciences. Σήμερα είναι επίκουρος καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Μοντάνα.
Επιπλέον συγγραφείς στη μελέτη περιλαμβάνουν τους Zhi Wang και Bumho Kim από τη Σχολή Τεχνών και Επιστημών του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια.
Η έρευνα υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών των ΗΠΑ (N00014-20-1-2325 and N00014-21-1-2703) και το Ίδρυμα Sloan.
