Ідея комп’ютерів, що використовують світло замість електричних схем для виконання обчислень, може здатися фантастичною, ніби взятою зі сторінок науково-фантастичних творів. Однак дослідники вже багато років працюють над цим інноваційним підходом до обчислювальної техніки. Такі пристрої називають оптичними комп’ютерами, і численні лабораторії по всьому світу активно досліджують їхній потенціал для застосування у повсякденному житті.
Нещодавно команда дослідників з Університету штату Пенсильванія опублікувала статтю в науковому журналі Science Advances, яка присвячена вивченню того, як оптичні обчислення здатні суттєво зменшити споживання енергії системами штучного інтелекту. Професор інженерії з Пенсильванії та співавтор статті Сінцзе Ні зазначив, що ця робота є демонстрацією концепції того, як оптичні обчислення можуть принести користь швидкозростаючій галузі штучного інтелекту в майбутньому. Він наголосив, що прогрес часто виникає тоді, коли відомі фізичні принципи переосмислюються з новою метою, і перегляд класичних ідей в оптиці крізь призму сучасних викликів штучного інтелекту може відкрити нові практичні напрямки для створення швидшого та більш екологічного обчислювального обладнання.
Вирішення енергетичного питання штучного інтелекту
З огляду на зростаюче використання штучного інтелекту як у професійній діяльності, так і в побуті, питання енерговитрат, пов’язаних з його функціонуванням, набуває особливої актуальності. Для роботи продуктів та сервісів штучного інтелекту, таких як ChatGPT, потрібна значна обчислювальна потужність, що, своєю чергою, призводить до споживання великої кількості енергії. Це може мати наслідки, наприклад, через плани технологічних компаній будувати центри обробки даних поблизу населених пунктів або через потенційне зростання щомісячних рахунків за електроенергію внаслідок підвищеного навантаження на місцеву електромережу.
За оцінками Міжнародного енергетичного агентства, у 2024 році на центри обробки даних припадало приблизно 1,5% світового споживання енергії, причому протягом попередніх п’яти років цей показник збільшувався на 12% щорічно. Агентство також прогнозує, що до 2030 року споживання енергії центрами обробки даних може подвоїтися. З огляду на ці тенденції, використання альтернативного обчислювального методу для зменшення енергоспоживання штучним інтелектом є надзвичайно привабливою перспективою.
Оптичні комп’ютери, що функціонують на світлі замість електрики, наразі залишаються переважно у категорії довгострокових технологічних проєктів, для комерційного впровадження яких потрібні роки. Концепція таких обчислювальних пристроїв існує ще з 1960-х років, а коріння оптичної обробки інформації сягає ще давніших часів. Справжні оптичні комп’ютери переважно залишаються об’єктом досліджень у лабораторіях, проте оптична передача даних, що забезпечує швидке пересилання інформації за допомогою світлових імпульсів, вже активно використовується в деяких великих центрах обробки даних та для передачі даних між наземними станціями та літаками.
Виклики та інновації у світлових обчисленнях
Інтеграція оптичних обчислень у сферу штучного інтелекту все ще є новою галуззю досліджень. Існують значні виклики, пов’язані з тим, щоб змусити світло взаємодіяти таким чином, аби воно могло виконувати функції, необхідні для нейронних мереж – підмножини штучного інтелекту, що використовується в сучасних чат-ботах. По суті, світло природно поширюється прямолінійно, але для створення комп’ютера, здатного обробляти дані, потрібна оптична система, яка генерує нелінійні функції. Задля цього оптичним комп’ютерам часто потрібні спеціальні матеріали, виробництво яких може бути складним та енергоємним. За словами пана Ні, справжня оптична нелінійність, як правило, слабка і важкодоступна, часто вимагаючи використання потужних лазерів або спеціалізованих матеріалів, що додає складності та може нівелювати переваги оптики в енергоефективності. Однак їхній підхід дозволяє уникнути цих вимог, забезпечуючи при цьому продуктивність, порівнянну з нелінійними цифровими мережами.
Дослідники з Університету штату Пенсильванія розробили цікаве рішення, яке може допомогти оптичним комп’ютерам краще виконувати нелінійні функції, необхідні для обробки даних штучним інтелектом. Створений командою прототип використовує конфігурацію “нескінченного дзеркала”, яка зациклює крихітні оптичні елементи, кодуючи дані безпосередньо у світлові промені та з часом створюючи нелінійний зв’язок. Згодом ці світлові патерни фіксуються за допомогою мікроскопічної камери. Ключовий висновок полягає в тому, що ретельно розроблена оптична структура здатна генерувати нелінійну вхідно-вихідну поведінку, необхідну для штучного інтелекту, без покладання на сильні нелінійні матеріали або потужні лазери, як пояснює Сінцзе Ні. Дозволяючи світлу “реверберувати” через систему, дослідники створюють це нелінійне відображення, зберігаючи при цьому апаратне забезпечення простим, низькоенергетичним та швидким.
Перспективи та гібридні підходи
Попри перспективність цієї концепції, перетворення прототипу на систему з реальними застосуваннями вимагатиме значно більше часу, зусиль та фінансових вкладень. Професор Ні визнає, що до появи оптичних комп’ютерів для штучного інтелекту ще далеко. За його оцінками, реалістичний термін для досягнення прототипу, орієнтованого на промисловість, та перших демонстрацій становить приблизно від двох до п’яти років, залежно від рівня інвестицій та цільового застосування.
Однак ця тема є гарячою у світі обчислювальних технологій. Головний менеджер з досліджень у Microsoft Research Франческа Парміджіані зазначила, що оптичні чипи одного дня можуть працювати разом з традиційними графічними процесорами, допомагаючи системам штучного інтелекту виконувати певні завдання. За її словами, оптичні обчислення мають потенціал ефективно виконувати значно більше операцій паралельно та на значно вищих швидкостях, ніж звичайне цифрове обладнання. Це може призвести до значного підвищення енергоефективності та зменшення затримок для робочих навантажень.
Традиційні комп’ютери, що використовуються для штучного інтелекту, не будуть замінені оптичними пристроями найближчим часом. Проте, за кілька років, є ймовірність, що оптичні комп’ютери можуть бути інтегровані в системи штучного інтелекту для роботи разом зі звичайними комп’ютерами. Мета полягає у гібридному підході: електроніка продовжуватиме обробляти обчислення загального призначення, пам’ять та керування, тоді як оптика зможе прискорювати конкретні високооб’ємні обчислення, що домінують у часових та енергетичних витратах штучного інтелекту, як пояснює пан Ні.
