Искусственный интеллект (ИИ) становится неотъемлемой частью современных технологий, обеспечивая работу таких функций, как распознавание лиц и автоматический перевод текстов. Однако с усложнением ИИ-моделей возрастает и их энергопотребление, что создает серьезные вызовы для энергоэффективности и устойчивого развития. Исследователи из Университета Флориды предложили инновационное решение этой проблемы — новый чип, который использует свет вместо электричества для выполнения одной из самых ресурсоемких задач ИИ. Результаты их работы опубликованы в журнале Advanced Photonics.

Прорыв в энергоэффективности ИИ

Разработанный чип предназначен для выполнения операций свёртки — ключевого процесса в машинном обучении, который позволяет системам ИИ распознавать шаблоны в изображениях, видео и текстах. Обычно такие вычисления требуют значительных ресурсов. Интегрируя оптические компоненты непосредственно в кремниевый чип, ученые создали систему, способную выполнять свёртки с помощью лазерного света и микроскопических линз, что значительно снижает энергозатраты и ускоряет обработку данных.

По словам руководителя исследования, профессора фотоники полупроводников Фолкера Й. Зоргера, выполнение ключевых вычислений машинного обучения практически без энергозатрат — это важный шаг вперед для будущих систем ИИ. Он отметил, что такие технологии критически важны для дальнейшего развития искусственного интеллекта.

Технологические особенности чипа

В тестах прототип чипа смог классифицировать рукописные цифры с точностью около 98%, что сопоставимо с традиционными электронными чипами. Система использует два набора миниатюрных линз Френеля — плоских, ультратонких аналогов линз, применяемых в маяках, изготовленных с помощью стандартных полупроводниковых технологий. Эти линзы, по размеру сравнимые с человеческим волосом, выгравированы непосредственно на чипе.

Для выполнения свёртки данные машинного обучения сначала преобразуются в лазерный свет на чипе. Затем свет проходит через линзы Френеля, которые осуществляют математическое преобразование, после чего результат снова преобразуется в цифровой сигнал для завершения задачи ИИ.

Доцент-исследователь Ханбо Ян, соавтор работы, подчеркнул, что впервые удалось реализовать такой тип оптических вычислений на чипе и применить его к нейронной сети ИИ.

Масштабируемость и преимущества фотоники

Команда также продемонстрировала, что чип способен одновременно обрабатывать несколько потоков данных, используя лазеры разных цветов — этот метод называется мультиплексированием по длине волны. Ян отметил, что возможность пропускать несколько длин волн света через линзу одновременно — ключевое преимущество фотоники.

Исследование проводилось в сотрудничестве с Институтом полупроводников Флориды, Калифорнийским университетом в Лос-Анджелесе и Университетом Джорджа Вашингтона. Зоргер добавил, что производители чипов, такие как NVIDIA, уже используют оптические элементы в некоторых своих ИИ-системах, что может упростить интеграцию новых технологий.

По мнению ученых, в ближайшем будущем оптика на чипе станет неотъемлемой частью каждого ИИ-чипа, используемого в повседневной жизни, а оптические вычисления для искусственного интеллекта — следующим этапом развития отрасли.