Układ zasilany światłem zwiększa wydajność sztucznej inteligencji o 100x

Naukowcy z Uniwersytetu Florydy zaprezentowali zasilany światłem układ scalony, który ma wynieść sztuczną inteligencję na nowy poziom. Ten specjalnie zaprojektowany mikroprocesor wykorzystuje fotony zamiast elektronów, aby zapewnić wydajność porównywalną z najnowocześniejszymi rozwiązaniami, zużywając przy tym jedynie ułamek energii. Oto, w jaki sposób zasilany światłem układ scalony może przyczynić się do rozwoju technologii sztucznej inteligencji bardziej niż kiedykolwiek wcześniej.

Dlaczego sztuczna inteligencja potrzebuje nowych rozwiązań sprzętowych

W miarę jak systemy AI stają się kluczowe dla wielu najnowocześniejszych technologii, w obecnej strategii wciąż pojawiają się luki. Dzisiejsze podejście opiera się na stale rozwijających się algorytmach w celu zwiększenia wydajności. W przeszłości strategia ta była skuteczna, ponieważ inżynierowie AI mogli opracowywać bardziej wydajne i celowo zaprojektowane algorytmy, aby zwiększyć wydajność bez napotykania przeszkód sprzętowych.

Zapotrzebowanie obliczeniowe

Jednak dzisiejszy ekosystem sztucznej inteligencji (AI) wygląda zupełnie inaczej, ponieważ sprzęt nie nadąża za rosnącymi wymaganiami obliczeniowymi. Nawet najmniejsze ograniczenia technologiczne, takie jak czas potrzebny elektronom na przebycie drogi przez układ scalony, okazały się czynnikami ograniczającymi wydajność sztucznej inteligencji.

Zużycie energii

To obciążenie obliczeniowe wiąże się również z dodatkowym zapotrzebowaniem na energię. Im więcej chipów jest używanych do zasilania systemu AI, tym więcej energii on zużywa. Najpotężniejsze współczesne systemy AI wymagają ogromnych centrów danych, które mogą zużywać tyle energii, co całe miasta.

Ograniczenia skalowania

Wymagania te ograniczyły skalowalność obecnego systemu sztucznej inteligencji. Aby je pokonać, inżynierowie AI muszą zmniejszyć wymagania obliczeniowe zadań AI, ponieważ prace nad zwiększeniem szybkości procesorów utknęły w martwym punkcie. W ramach tej strategii naukowcy zaczęli poszukiwać sposobów na zmniejszenie zapotrzebowania na moc obliczeniową operacji splotowych.

Dlaczego konwolucja jest tak energochłonna w sztucznej inteligencji

Operacje splotowe to kluczowe zadanie realizowane przez systemy sztucznej inteligencji (AI). Termin ten odnosi się do sposobu, w jaki sieci neuronowe potrafią identyfikować wzorce. Warto zauważyć, że splot może obejmować wiele źródeł, lokalizując wzorce w plikach tekstowych, graficznych i wideo. Proces ten jest jednym z podstawowych komponentów współczesnej sztucznej inteligencji (AI) i najbardziej energochłonnym aspektem współczesnych systemów. Warto zauważyć, że w niektórych systemach AI nawet ~90% całkowitego zużycia energii przypada na splot.

Badanie chipów zasilanych światłem

Badania¹ Prawie bezenergetyczna transformacja Fouriera fotoniczna do przyspieszenia operacji splotu¹  rzuca światło na projekt układu fotonicznego oferującego wydajne, kompaktowe i nisko-opóźnieniowe możliwości splotu. Projekt integruje mikroskopijne komponenty optyczne na układzie krzemowym, otwierając drogę do szybszego przetwarzania przy mniejszym zapotrzebowaniu na energię.

Fotoniczny korelator transformacji łączonej (pJTC)

Fotoniczny korelator transformacji łączonej wykorzystuje światło laserowe do kodowania i przesyłania danych. Ta strategia umożliwia wykonywanie szybkich obliczeń bez użycia elektronicznej transmisji danych. Sygnał zakodowany światłem laserowym jest wysyłany i rejestrowany przez specjalne soczewki zaprojektowane tak, aby zachować niską temperaturę i wydajność.

Źródło - Zaawansowana fotonika

Soczewki Fresnela

Inżynierowie zaprojektowali mikroskopijne, ultracienkie soczewki, aby zrealizować to zadanie. Dokładniej, para miniaturowych soczewek Fresnela została wytrawiona bezpośrednio w chipie. Soczewki te są cieńsze niż ludzki włos i mają konstrukcję podobną do tych stosowanych w dużych latarniach morskich. Co ciekawe, ich skupiona konstrukcja pozwala im precyzyjnie kierować transmisją danych świetlnych.

Transformacja Fouriera

Proces rozpoczyna się od przesłania danych przez układ scalony do światła laserowego, które następnie jest kierowane przez soczewki Fresnela. Soczewki rejestrują wzór światła i przetwarzają go na sygnał cyfrowy, umożliwiając dodatkowe zadania przetwarzania. Strategia ta eliminuje opóźnienia wynikające z prędkości elektronów i obniża koszty eksploatacji tych systemów, zapewniając jednocześnie unikalną funkcjonalność.

Multipleksowanie długości fali

Prawdziwy wzrost skalowalności układu zasilanego światłem wynika z multipleksowania długości fali. Multipleksowanie długości fali polega na wykorzystaniu laserów o różnych kolorach do przeprowadzania równoległych obliczeń na tym samym układzie. To powszechny sposób na poprawę transmisji i przechowywania danych w innych mediach.

Zintegrowanie go z zasilanymi światłem układami AI otwiera drogę do znacznego wzrostu wydajności bez zwiększania zapotrzebowania na energię. Dokładniej, zasilany światłem układ zmniejszył zużycie energii 100-krotnie w porównaniu z tradycyjnymi układami AI o podobnej wydajności.

Test chipa zasilanego światłem

Inżynierowie przeprowadzili szereg testów, aby udowodnić, że ich zasilany światłem układ może zapewnić najwyższą wydajność przy minimalnym zużyciu energii. Jednym z pierwszych testów było wykorzystanie sztucznej inteligencji do klasyfikowania odręcznie pisanych cyfr. Zespół testował również zapotrzebowanie systemu na energię i przepustowość danych w trakcie procesu. Wyniki są imponujące.

Wyniki wydajności układu scalonego zasilanego światłem

Pod względem wydajności, układ oferuje przetwarzanie danych porównywalne z wydajnymi, konwencjonalnymi układami elektronicznymi. W szczególności uzyskał 98% dokładności w testach klasyfikacji pisma ręcznego. Wyniki te utrzymały się nawet po tym, jak inżynierowie zaczęli dodawać opóźnienia czasowe do sygnałów wejściowych.

Możliwości multipleksowania układu wykazały się niezawodną wydajnością. Nowa architektura oferowała wyjątkową przepustowość i umożliwiała wykonywanie obliczeń wysokiego poziomu przy niemal zerowym zużyciu energii. Testy te otwierają drogę do zrównoważonych centrów danych, które mogą skalować się, aby sprostać potrzebom rozwijającej się branży sztucznej inteligencji.

Przesuń, aby przewijać →

Korzyści z chipów zasilanych światłem

Badania nad układami scalonymi zasilanymi światłem przyniosły rynkowi długą listę korzyści. Po pierwsze, ich konstrukcja zmniejsza złożoność obliczeniową. Dzisiejsze układy scalone oparte na elektronach wykorzystują już urządzenia o skali atomowej, które wymagają kosztownych metod produkcji. Układy scalone oparte na optyce wymagają mniejszej liczby komponentów i osiągają lepsze rezultaty.

Niskie opóźnienie

Inżynierowie odnieśli sukces w dążeniu do stworzenia akceleratora splotu opartego na świetle, zaprojektowanego specjalnie do obsługi zadań AI. Możliwości multipleksowania falowodów zapewniają układowi konkurencyjną wydajność i niezrównaną efektywność. W związku z tym może on być kluczem do tworzenia szybszych i bardziej wydajnych modeli AI w przyszłości.

Wydajność:

Aby świat osiągnął cele ONZ dotyczące zerowej emisji dwutlenku węgla netto, należy skupić się na zmniejszeniu zużycia energii. Ten projekt chipa pozwala na nawet 100-krotne zmniejszenie zużycia energii przy zachowaniu miniaturowych rozmiarów. Co istotne, niniejsze badanie oferuje pierwszy projekt chipa fotonicznego skoncentrowanego na sztucznej inteligencji, który osiąga znaczną wydajność bez konieczności dodatkowego zasilania.

Skalowalność

Skalowalność tej strategii jest niezrównana. Wraz z globalnym rozwojem centrów danych, wzrośnie zapotrzebowanie na energooszczędne rozwiązania oparte na chipach. Strategia ta może złagodzić ograniczenia transmisji poprzez jednoczesne przetwarzanie wielu strumieni danych, otwierając drogę do budowy energooszczędnych centrów danych w przyszłości.

Zastosowania i harmonogram rzeczywistego zastosowania układu scalonego zasilanego światłem:

Istnieje wiele zastosowań dla tego układu zasilanego światłem. Po pierwsze, urządzenie może wspomóc rozwój badań i innowacji. Jako pierwsze badanie, w którym udało się stworzyć energooszczędny, wysokowydajny układ fotoniczny zorientowany na sztuczną inteligencję, stanowi ono ogromny krok naprzód w zakresie zrównoważonego rozwoju i skalowalności. Czynniki te mogą bezpośrednio przełożyć się na bardziej wydajne algorytmy w przyszłości.

cloud Services

Zobaczycie, jak te chipy trafiają najpierw do centrów danych. Te duże lokalizacje stanowią podstawę dzisiejszego renesansu technologicznego. Usługi w chmurze wymagają dużych lokalizacji, które mieszczą tysiące komputerów i mogą łączyć się szeregowo z innymi lokalizacjami, aby zapewnić klientom pamięć masową i moc obliczeniową.

Zasilany światłem układ scalony zmniejszy koszty ogólne i zapotrzebowanie na energię w tych lokalizacjach, zapoczątkowując nową erę wysokowydajnej sztucznej inteligencji przy minimalnym zapotrzebowaniu na energię. Oszczędności energii są tak duże, że można się spodziewać, że wiele centrów danych przejdzie na systemy oparte na układach fotonicznych, gdy tylko staną się one powszechnie dostępne.

Komunikacja

Istnieje kilka sposobów, w jakie ta technologia pomoże usprawnić komunikację, pomagając w rozwiązywaniu kluczowych problemów, takich jak problemy na ostatniej mili. Inżynierowie już zintegrowali sztuczną inteligencję, aby pomóc w ulepszeniu systemy transmisji danychTeraz te komponenty będą wymagały mniej energii i będzie można je łączyć i uruchamiać równolegle, co jeszcze bardziej zwiększy moc przetwarzania.

Wysokowydajne obliczenia

Technologia ta pomoże w zasilaniu wysokowydajnych komputerów przyszłości. Urządzenia te będą integrować sztuczną inteligencję z innymi technologiami, takimi jak rozpoznawanie twarzy i tłumaczenie języków, aby usprawnić interakcję człowiek-komputer. Celem jest zwiększenie wydajności komputerów, a jednocześnie uproszczenie ich obsługi dla nowych użytkowników.

Wojsko

Wojsko już bada tę technologię. Poleganie na systemach AI we wszystkim, od wykrywania zagrożeń po pilotowanie dronów w spornej przestrzeni powietrznej, jest obecnie normą. W związku z tym systemy te będą wymagały ciągłej modernizacji, aby móc zwalczać przeciwników. Co istotne, zmniejszenie zapotrzebowania na energię w systemach AI otwiera drzwi dla wielu innowacji, takich jak systemy natywne, które nie wymagają komunikacji ze scentralizowanymi opcjami, aby działać.

Dyrektorem

Sztuczna inteligencja nadal rewolucjonizuje sektor medyczny. Obecnie w użyciu jest wiele systemów sztucznej inteligencji, które mogą wykryć choroby, pomóc z regeneracja, zalecać leczenie i przeprowadzać operacje. Ta ulepszona konstrukcja układu scalonego może pomóc ratować życie, zwiększając bezpieczeństwo i wydajność podzespołów medycznych. Przyszłe urządzenia mogą zużywać znacznie mniej energii, co pozwoli im działać dłużej i oferować więcej przydatnych funkcji.

galanterii

Urządzenia ubieralne to kolejna branża, która odnotuje znaczny wzrost wydajności dzięki integracji układów scalonych opartych na świetle. Układy te umożliwiają projektantom tworzenie mniejszych urządzeń, o większej wydajności i mniejszym zapotrzebowaniu na baterię. Urządzenia ubieralne, które zużywają mniej energii, mogą mieć mniejsze baterie lub dodatkowe funkcje, co zwiększa ich użyteczność.

Oś czasu

Może minąć kolejne 3-5 lat, zanim inżynierowie będą mogli wprowadzić swój zasilany światłem układ na rynek. Istnieje duże zapotrzebowanie na ten produkt. Zespół wciąż jednak musi szukać partnerów przemysłowych, którzy pomogą mu dopracować metody projektowania i produkcji. Pomimo opóźnień, popyt na te układy jest ogromny, a firmy zajmujące się sztuczną inteligencją prawdopodobnie zainwestują znaczne środki w ten projekt ze względu na przewidywane korzyści.

Naukowcy zajmujący się chipami zasilanymi światłem

Badanie chipów zasilanych światłem odbyło się na Uniwersytecie Florydy, a udział w nim wzięli przedstawiciele Florida Semiconductor Institute, UCLA i George Washington University. W artykule wymieniono Hangbo Yanga, Nicolę Peserico, Shurui Li, Xiaoxuan Ma, Russella LT Schwartza, Mostafę Hosseiniego, Aydina Babakhaniego, Chee Wei Wonga, Puneeta Guptę i Volkera J. Sorgera jako głównych autorów. Warto zauważyć, że badanie było częściowo finansowane przez Biuro Badań Marynarki Wojennej (Office of Naval Research).

Przyszłość chipów zasilanych światłem

Przyszłość chipów zasilanych światłem rysuje się w jasnych barwach. Można się spodziewać, że te prace otworzą drzwi dla optyki opartej na chipach. W przyszłości takie podejście może stać się standardem branżowym dla zastosowań AI, umożliwiając branży AI dostosowanie się do wymogów środowiskowych.

Inwestowanie w sztuczną inteligencję

Istnieje kilka firm, które udowodniły swoją wartość w zakresie rozwoju możliwości sztucznej inteligencji nowej generacji. Wśród nich znajdują się firmy z różnych branż, od producentów układów scalonych po twórców algorytmów sztucznej inteligencji i wiele innych. Ich praca nieustannie napędza innowacje i zwiększa świadomość w zakresie zastosowań sztucznej inteligencji. Oto jedna z firm, która zyskała reputację dzięki kreatywności i zaangażowaniu w rozwiązywanie niektórych z największych problemów sztucznej inteligencji.

NVIDIA

Firma NVIDIA z siedzibą w Dolinie Krzemowej weszła na rynek w 1993 roku. Założycielami firmy byli Jensen Huang, Chris Malachowsky i Curtis Priem, a jej celem było dostarczanie na rynek wysokiej klasy procesorów graficznych. Obecnie NVIDIA jest wiodącym dostawcą procesorów graficznych i uznawana za jedną z najbardziej innowacyjnych firm działających w branży sztucznej inteligencji.

NVIDIA zawsze miała ducha innowacji. Od premiery akceleratora graficznego NV1 w 1995 roku, firma cieszy się rosnącym poparciem konsumentów i inwestorów. W 1999 roku weszła na giełdę. Niecały rok później nawiązała strategiczne partnerstwo z firmą Microsoft, jako dostawca układów graficznych do konsoli Xbox.

W 2019 roku NVIDIA przejęła Mellanox w ramach szerszej strategii mającej na celu zwiększenie penetracji rynku w sektorze centrów danych. Obecnie firma zajmuje dominującą pozycję na rynku dostawców usług centrów danych i oferuje jedne z najbardziej renomowanych kart graficznych i systemów AI.

Najnowsze wiadomości i wyniki akcji NVDA (NVDA)

Układ scalony zasilany światłem | Wnioski

Badania nad układem scalonym zasilanym światłem otwierają drogę do bardziej zrównoważonej przyszłości, w której zwiększenie wydajności nie zawsze oznacza zwiększenie zapotrzebowania na energię. Układ zasilany światłem oferuje inżynierom wgląd w lepszy sposób realizacji obliczeń na poziomie sztucznej inteligencji bez wyczerpywania zasobów elektrowni. Z tego i wielu innych powodów zespół ten zasługuje na owację na stojąco.

Dowiedz się więcej o innych fajnych technologiach AI Teraz.

Referencje:

^{1. Hangbo Yang, Nicola Peserico, Shurui Li, Xiaoxuan Ma, Russell LT Schwartz, Mostafa Hosseini, Aydin Babakhani, Chee Wei Wong, Puneet Gupta, Volker J. Sorger. Fotonowa transformacja Fouriera o niemal zerowej energii do przyspieszania operacji splotu. Advanced Photonics, 2025; 7 (05) DOI: 10.1117/1.AP.7.5.056007}