80 години след създаването на ENIAC, първия в света универсален електронен компютър, изследователи от Университета на Пенсилвания проучват нов начин за захранване на изчислителната техника на бъдещето. Вместо да разчитат изцяло на електрони, учените се обърнаха към светлината.

ENIAC, разработен от изследователите от Университета на Пенсилвания Дж. Преспер Екерт и Джон Мокли постави началото на съвременната ера на изчисленията, използвайки потоци от електрони за решаване на сложни математически задачи. Същият електронен подход и до днес захранва съвременните компютри, смартфони и системи с изкуствен интелект, но с нарастващите изисквания към изкуствения интелект, ограниченията на електронното оборудване стават все по-очевидни.

Защо електроните достигат своите граници

Електроните носят електрически заряд, което създава редица проблеми в съвременните компютърни чипове. Докато се движат през материалите, те отделят топлина и срещат съпротивление, което води до загуба на енергия. Тези проблеми стават още по-сериозни с усложняването на чиповете и обработката на огромни обеми данни за приложенията с изкуствен интелект.

Изследователи под ръководството на физика Бо Жен от Университета на Пенсилвания смятат, че фотоните (частиците, от които се състои светлината) биха могли да помогнат за решаването на някои от тези проблеми.

„Тъй като са електрически неутрални и имат нулева маса на покой, фотоните могат бързо да пренасят информация на големи разстояния с минимални загуби, доминирайки в комуникационните технологии. Но тази неутралност означава, че те почти не взаимодействат с околната среда, което ги прави неподходящи за логиката на превключване на сигнали, на която се основават компютрите.“

обяснява Ли Хе, съавтор на статията, публикувана в Physical Review Letters

С други думи, светлината е идеална за бързо и ефективно предаване на информация, но се справя зле с операциите по превключване, необходими за изчисленията.

Обединяване на светлината и материята за изчисления в областта на изкуствения интелект

За да преодолее този проблем, екипът на Жен разработи специална квазичастица, наречена екзитон-поляритон. Частицата се образува, когато фотоните се свързват силно с електрони вътре в атомно тънък полупроводников материал. Такова съчетание позволява на светлината да взаимодейства много по-ефективно, като я прави способна да извършва превключването на сигнали, необходимо за изчислителни задачи. Този пробив може да бъде особено важен за системите за изкуствен интелект, които консумират огромно количество енергия.

Много експериментални фотонни чипове за AI вече използват светлина за извършване на определени изчисления с висока скорост. Въпреки това, когато тези системи трябва да изпълнят етапи на нелинейна активация, като например операции по вземане на решения, те обикновено трябва да преобразуват светлинните сигнали обратно в електронни. Това преобразуване забавя процеса и увеличава енергопотреблението, намалявайки предимствата на фотонните изчисления.

Използвайки екзитон-поляритони, изследователите от Пенсилвания демонстрираха изцяло оптично превключване, като за целта използваха само около 4 квадрилионни части от джаул енергия. Това количество е изключително малко, много по-малко от енергията, необходима за краткотрайно захранване на миниатюрен светодиод.

На път към по-бързи и ефективни чипове за изкуствения интелект

Ако технологията успее да бъде успешно мащабирана, това може да доведе до създаването на фотонни чипове, способни да обработват информация директно от камерите, без многократни преобразувания между светлина и електричество. Този подход също така може да намали огромните енергийни нужди на големите AI системи и потенциално да поддържа основните функции на квантовите изчисления на бъдещите чипове.