В Німеччині запустили фотонний процесор, який виконує обчислення світлом

В Карлсруському технологічному інституті (KIT) почали вивчати інший підхід до високопродуктивних обчислень, коли для виконання ряду операцій використовується світло. В основі системи лежить фотонний процесор німецької компанії Q.ANT. На відміну від звичайних ЦПУ та ГПУ, де обчислення виконуються за допомогою струму на транзисторах, фотонний прискорювач використовує світлові сигнали безпосередньо для обробки даних, що економить час і знижує споживання.

Джерело зображення: Cynthia Ruf / KIT

Одразу підкреслимо, що фотонний процесор компанії Q.ANT і платформа на його основі не передбачають відмову від традиційних центральних і графічних процесорів. Розробники створюють гібридну архітектуру, в якій ЦПУ, ГПУ та фотонний NPU (Native Processing Unit) виконуватимуть ті операції, для яких кожен процесор підходить найкраще.

Фізично обчислення відбувається наступним чином: цифрові дані перетворюються в параметри оптичного сигналу (зазвичай це фаза і амплітуда), після чого світло надходить в інтегральну фотонну схему. У ній використовуються оптичні хвилеводи та інтерферометри, що дозволяють керувати амплітудою і фазою світлових хвиль. При проходженні по різним оптичним шляхам хвилі інтерферують одна з одною майже як кола на воді, в процесі чого виконують задані математичні операції. Особливо добре такий принцип підходить для матричних обчислень, які є фундаментальною частиною роботи нейронних мереж. Потім результат перетворюється назад в електричний сигнал фотодетекторами.

Головна перевага такої архітектури полягає не стільки в швидкості поширення світла, скільки в можливості виконувати безліч операцій одночасно. Оптична схема може перетворювати одразу цілий набір сигналів, причому обчислення відбувається безпосередньо під час проходження світла через фотонний чип. Це дозволяє суттєво скоротити кількість операцій передачі даних між пам'яттю та обчислювальними блоками — одного з головних джерел енергоспоживання сучасних ШІ-систем.

За оцінкою Q.ANT, для певних завдань штучного інтелекту її фотонна технологія здатна забезпечити 30-кратне підвищення енергоефективності в порівнянні з класичною CMOS-електронікою. При цьому електрика все ж необхідна для лазерів, модуляторів, фотодетекторів та керуючої електроніки, тому йдеться не про повну відмову від електрики на користь світла, а про більш економічний спосіб виконання окремих операцій.

Дослідники KIT мають намір перевірити ефективність цієї технології не лише в лабораторних умовах, а й у складі реальної обчислювальної інфраструктури. У процесі експериментів вчені будуть визначати, які завдання вигідніше передавати фотонному прискорювачу, а які залишати електронним процесорам. Такий підхід особливо цікавий для штучного інтелекту, де обсяг матричних обчислень постійно зростає, а енергоспоживання центрів обробки даних стає серйозним викликом. У перспективі подібні гібридні системи можуть об'єднати традиційні ЦПУ та ГПУ з фотонними, а потім і квантовими прискорювачами, розподіляючи обчислення між ними залежно від характеру конкретного завдання.

Зазначимо, що поточна реалізація фотонного процесора виконує в основному лінійні операції, але компанія рухається до створення процесорів з можливістю нелінійних перетворень світлових імпульсів, що також важливо для роботи нейромереж.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки