Идея компьютеров, использующих свет вместо электрических схем для выполнения вычислений, может показаться фантастической, словно взятой со страниц научно-фантастических произведений. Однако исследователи уже много лет работают над этим инновационным подходом к вычислительной технике. Такие устройства называют оптическими компьютерами, и многочисленные лаборатории по всему миру активно исследуют их потенциал для применения в повседневной жизни.
Недавно команда исследователей из Университета штата Пенсильвания опубликовала статью в научном журнале Science Advances, посвящённую изучению того, как оптические вычисления способны существенно уменьшить потребление энергии системами искусственного интеллекта. Профессор инженерии из Пенсильвании и соавтор статьи Синцзе Ни отметил, что эта работа является демонстрацией концепции того, как оптические вычисления могут принести пользу быстрорастущей области искусственного интеллекта в будущем. Он подчеркнул, что прогресс часто возникает тогда, когда известные физические принципы переосмысливаются с новой целью, и пересмотр классических идей в оптике сквозь призму современных вызовов искусственного интеллекта может открыть новые практические направления для создания более быстрого и более экологичного вычислительного оборудования.
Решение энергетического вопроса искусственного интеллекта
Учитывая растущее использование искусственного интеллекта как в профессиональной деятельности, так и в быту, вопрос энергозатрат, связанных с его функционированием, приобретает особую актуальность. Для работы продуктов и сервисов искусственного интеллекта, таких как ChatGPT, требуется значительная вычислительная мощность, что, в свою очередь, приводит к потреблению большого количества энергии. Это может иметь последствия, например, из-за планов технологических компаний строить центры обработки данных вблизи населённых пунктов или из-за потенциального роста ежемесячных счетов за электроэнергию вследствие повышенной нагрузки на местную электросеть.
По оценкам Международного энергетического агентства, в 2024 году на центры обработки данных приходилось примерно 1,5% мирового потребления энергии, причём в течение предыдущих пяти лет этот показатель увеличивался на 12% ежегодно. Агентство также прогнозирует, что к 2030 году потребление энергии центрами обработки данных может удвоиться. Учитывая эти тенденции, использование альтернативного вычислительного метода для уменьшения энергопотребления искусственным интеллектом является чрезвычайно привлекательной перспективой.
Оптические компьютеры, функционирующие на свете вместо электричества, в настоящее время остаются преимущественно в категории долгосрочных технологических проектов, для коммерческого внедрения которых потребуются годы. Концепция таких вычислительных устройств существует ещё с 1960-х годов, а корни оптической обработки информации уходят в ещё более давние времена. Настоящие оптические компьютеры преимущественно остаются объектом исследований в лабораториях, однако оптическая передача данных, обеспечивающая быструю пересылку информации с помощью световых импульсов, уже активно используется в некоторых крупных центрах обработки данных и для передачи данных между наземными станциями и самолётами.
Вызовы и инновации в световых вычислениях
Интеграция оптических вычислений в сферу искусственного интеллекта всё ещё является новой областью исследований. Существуют значительные вызовы, связанные с тем, чтобы заставить свет взаимодействовать таким образом, чтобы он мог выполнять функции, необходимые для нейронных сетей – подмножества искусственного интеллекта, используемого в современных чат-ботах. По сути, свет естественным образом распространяется прямолинейно, но для создания компьютера, способного обрабатывать данные, требуется оптическая система, которая генерирует нелинейные функции. Для этого оптическим компьютерам часто требуются специальные материалы, производство которых может быть сложным и энергоёмким. По словам господина Ни, истинная оптическая нелинейность, как правило, слаба и труднодоступна, часто требуя использования мощных лазеров или специализированных материалов, что добавляет сложности и может нивелировать преимущества оптики в энергоэффективности. Однако их подход позволяет избежать этих требований, обеспечивая при этом производительность, сопоставимую с нелинейными цифровыми сетями.
Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали интересное решение, которое может помочь оптическим компьютерам лучше выполнять нелинейные функции, необходимые для обработки данных искусственным интеллектом. Созданный командой прототип использует конфигурацию «бесконечного зеркала», которая зацикливает крошечные оптические элементы, кодируя данные непосредственно в световые лучи и со временем создавая нелинейную связь. Впоследствии эти световые паттерны фиксируются с помощью микроскопической камеры. Ключевой вывод заключается в том, что тщательно разработанная оптическая структура способна генерировать нелинейное входно-выходное поведение, необходимое для искусственного интеллекта, без опоры на сильные нелинейные материалы или мощные лазеры, как объясняет Синцзе Ни. Позволяя свету «реверберировать» через систему, исследователи создают это нелинейное отображение, сохраняя при этом аппаратное обеспечение простым, низкоэнергетическим и быстрым.
Перспективы и гибридные подходы
Несмотря на перспективность этой концепции, преобразование прототипа в систему с реальными применениями потребует значительно больше времени, усилий и финансовых вложений. Профессор Ни признаёт, что до появления оптических компьютеров для искусственного интеллекта ещё далеко. По его оценкам, реалистичный срок для достижения прототипа, ориентированного на промышленность, и первых демонстраций составляет примерно от двух до пяти лет, в зависимости от уровня инвестиций и целевого применения.
Однако эта тема является горячей в мире вычислительных технологий. Главный менеджер по исследованиям в Microsoft Research Франческа Пармиджани отметила, что оптические чипы однажды могут работать вместе с традиционными графическими процессорами, помогая системам искусственного интеллекта выполнять определённые задачи. По её словам, оптические вычисления имеют потенциал эффективно выполнять значительно больше операций параллельно и на значительно более высоких скоростях, чем обычное цифровое оборудование. Это может привести к значительному повышению энергоэффективности и уменьшению задержек для рабочих нагрузок.
Традиционные компьютеры, используемые для искусственного интеллекта, не будут заменены оптическими устройствами в ближайшее время. Однако через несколько лет есть вероятность, что оптические компьютеры могут быть интегрированы в системы искусственного интеллекта для работы вместе с обычными компьютерами. Цель заключается в гибридном подходе: электроника будет продолжать обрабатывать вычисления общего назначения, память и управление, тогда как оптика сможет ускорять конкретные высокообъёмные вычисления, доминирующие во временных и энергетических затратах искусственного интеллекта, как объясняет господин Ни.
