Naukowcy opracowali nową architekturę obliczeń optycznych zwaną rzutowaniem dyfrakcyjnym, oferującą energooszczędne przetwarzanie przy użyciu fal świetlnych.
Metoda ta zapewnia lepszą integrację i elastyczność w przypadku zadań obliczeniowych o wysokiej wydajności i może być stosowana w takich dziedzinach, jak sztuczna inteligencja i uczenie maszynowe.
Obliczenia optyczne
Jak sztuczna inteligencja a inne złożone aplikacje wymagają coraz wydajniejszych i energochłonnych komputerów, obliczenia optyczne okazują się obiecującym rozwiązaniem zwiększającym szybkość i efektywność energetyczną. Jednak jego praktyczne zastosowanie napotkało wiele wyzwań. Nowatorska architektura projektowa, znana jako odlewanie dyfrakcyjne, ma na celu przezwyciężenie tych problemów poprzez wprowadzenie innowacyjnych koncepcji, które mogą przyspieszyć przyjęcie obliczeń optycznych w przyszłych technologiach.
Ograniczenia obecnej technologii komputerowej
Niezależnie od tego, czy jest to smartfon w kieszeni, czy laptop na biurku, wszystkie obecne urządzenia komputerowe opierają się na technologii elektronicznej. Ma to jednak pewne nieodłączne wady; w szczególności z konieczności generują dużo ciepła, zwłaszcza gdy zwiększają wydajność. Ponadto technologie wytwarzania półprzewodników zbliżają się do podstawowych granic tego, co jest teoretycznie możliwe. W rezultacie badacze badają alternatywne sposoby wykonywania obliczeń, które mogą rozwiązać te problemy, a w idealnym przypadku zapewnić także nowe funkcje.
Zalety obliczeń optycznych
Jedna z możliwości leży w pomyśle, który istnieje od kilkudziesięciu lat, ale jeszcze nie przebił się i nie stał się opłacalny komercyjnie, a dotyczy to informatyki optycznej. Zasadniczo obliczenia optyczne wykorzystują prędkość fal świetlnych i ich zdolność do interakcji w złożony sposób z różnymi materiałami optycznymi bez wytwarzania ciepła. Dodaj do tego fakt, że szeroki zakres fal świetlnych może przechodzić przez materiały jednocześnie, nie wpływając na siebie nawzajem, i teoretycznie możesz stworzyć masowo równoległy, szybki i energooszczędny komputer.
Przedstawiamy odlewanie dyfrakcyjne
„W latach 80. badacze w Japonii zbadali optyczną metodę obliczeniową zwaną rzucaniem cienia, która umożliwiała wykonywanie prostych operacji logicznych. Jednak ich realizacja opierała się na stosunkowo nieporęcznych geometrycznych formach optycznych, być może analogicznych do lamp próżniowych stosowanych we wczesnych komputerach cyfrowych. Zasadniczo działały, ale brakowało im elastyczności i łatwości integracji, aby stworzyć coś użytecznego” – powiedział profesor nadzwyczajny Ryoichi Horisaki z Laboratorium Fotoniki Informacyjnej na Uniwersytecie Tokijskim.
„Wprowadzamy schemat obliczeń optycznych zwany rzutowaniem dyfrakcyjnym, który poprawia rzucanie cieni. Rzucanie cieni opiera się na promieniach świetlnych oddziałujących z różnymi geometriami, natomiast rzucanie dyfrakcyjne opiera się na właściwościach samej fali świetlnej, co skutkuje bardziej wydajnymi przestrzennie, funkcjonalnie elastycznymi elementami optycznymi, które można rozszerzać w sposób, jakiego można oczekiwać i wymagać dla uniwersalnego komputer. Przeprowadziliśmy symulacje numeryczne, które dały bardzo pozytywne wyniki, wykorzystując jako dane wejściowe małe czarno-białe obrazy o wymiarach 16 na 16 pikseli, mniejsze niż ikony na ekranie smartfona”.
Potencjalne zastosowania i przyszłość odlewania dyfrakcyjnego
Horisaki i jego zespół proponują system całkowicie optyczny, to znaczy taki, który przekształca jedynie końcowy sygnał wyjściowy w coś elektronicznego i cyfrowego; przed tym etapem każdy etap systemu ma charakter optyczny. Ich pomysł polega na potraktowaniu obrazu jako źródła danych — co w naturalny sposób sugeruje, że ten system można wykorzystać do przetwarzania obrazu, ale inne rodzaje danych, szczególnie te wykorzystywane w systemach uczenia maszynowego, można również przedstawić graficznie — i połączyć ten obraz źródłowy z serią innych obrazów przedstawiających etapy operacji logicznych.
Pomyśl o tym jak o warstwach w aplikacji do edycji obrazów, takiej jak Adobe Photoshop: masz warstwę wejściową — obraz źródłowy — na której mogą być umieszczone warstwy, które zasłaniają, manipulują lub transmitują coś z warstwy znajdującej się poniżej. Materiał wyjściowy – górna warstwa – jest zasadniczo przetwarzany poprzez połączenie tych warstw. W tym przypadku przez te warstwy przechodzi światło, które rzuca obraz (stąd „odlewanie” w przypadku rzutowania dyfrakcyjnego) na czujnik, który następnie staje się danymi cyfrowymi do przechowywania lub prezentacji użytkownikowi.
„Rzut dyfrakcyjny to tylko jeden element hipotetycznego komputera opartego na tej zasadzie i najlepiej będzie pomyśleć o nim jako o dodatkowym komponencie, a nie o całkowitym zastąpieniu istniejących systemów, podobnie jak procesory graficzne są wyspecjalizowanymi komponentami do grafiki , gier i uczenia maszynowego” – powiedział główny autor Ryosuke Mashiko.
„Przewiduję, że zanim rozwiązanie stanie się dostępne na rynku, minie około 10 lat, ponieważ wiele pracy trzeba włożyć w fizyczne wdrożenie, które choć opiera się na rzeczywistej pracy, nie zostało jeszcze zbudowane. Obecnie możemy wykazać użyteczność rzutowania dyfrakcyjnego w wykonywaniu 16 podstawowych operacji logicznych stanowiących serce większości procesów przetwarzania informacji, ale istnieje również możliwość rozszerzenia naszego systemu na inny, nadchodzący obszar obliczeń, wykraczający poza tradycyjne, i to jest w obliczenia kwantowe. Czas pokaże.”
Ryosuke Mashiko, Makoto Naruse, Ryoichi Horisaki. „Odlewanie dyfrakcyjne”, Advanced Photonics, DOI: 10.1117/1.AP.6.5.056005
Badania przeprowadzono w ramach projektu Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A) zatytułowanego „Photonic Computing Highlighting Ultimate Nature of Light” kierowanego przez profesora Tetsuya Kawanishi na Wydziale Nauki i Inżynierii Uniwersytetu Waseda w Japonii.
