Postępy w sztucznej inteligencji i IoT napędzają popyt na mocniejsze obliczenia, co prowadzi do innowacyjnych rozwiązań, takich jak obliczenia optyczne.
Nowa metoda „rzucania dyfrakcyjnego” stosowana na Uniwersytecie Tokijskim wykorzystuje światło do szybszego i wydajniejszego przetwarzania danych, co stanowi znaczący krok w kierunku zrewolucjonizowania branży komputerowej.
W ostatnich latach nastąpił szybki rozwój sztuczna inteligencja oraz Internet rzeczy (IoT) doprowadziły do dramatycznego wzrostu zapotrzebowania na moc obliczeniową. Tradycyjne obliczenia elektroniczne zbliżają się jednak do granic wydajności i usiłują dotrzymać kroku prawu Moore’a, które przewiduje podwojenie liczby tranzystorów w mikrochipie co dwa lata. Wywołało to poszukiwania nowych paradygmatów obliczeniowych, które mogłyby zaspokoić rosnące potrzeby w zakresie szybkości, skali i efektywności energetycznej. Szczególnie obiecującą dziedziną są obliczenia optyczne, które do wykonywania obliczeń wykorzystują unikalne właściwości światła.
Pionierskie obliczenia optyczne
W Laboratorium Fotoniki Informacyjnej na Uniwersytecie Tokijskim badacze poczynili znaczne postępy w tej dziedzinie dzięki opracowaniu nowatorskiej architektury obliczeń optycznych znanej jako „rzucanie dyfrakcyjne”. Jak szczegółowo opisano w Zaawansowana fotonikametoda ta wzmacnia koncepcję przestrzennej równoległości światła, koncepcję tę po raz pierwszy zbadano w latach 80. XX wieku za pomocą techniki zwanej „rzucaniem cienia”. Chociaż rzucanie cieni dostarczyło cennych informacji, jego zależność od optyki geometrycznej ograniczyła jego elastyczność i możliwość integracji z innymi technologiami.
Nowa technika odlewania dyfrakcyjnego pokonuje te ograniczenia dzięki zastosowaniu optyki falowej. Warstwy dyfrakcyjnych elementów optycznych szkoli się tak, aby wykorzystywały równoległość przestrzenną i właściwości falowe światła, takie jak dyfrakcja i interferencja. Pozwala to na skalowalne i równoległe operacje logiczne o dużej elastyczności i możliwościach integracji. Operacje można zmieniać po prostu zmieniając wzorce oświetlenia, eliminując potrzebę kodowania i dekodowania wejść i wyjść.
Przyszłe implikacje i zastosowania
Numeryczne demonstracje rzutowania dyfrakcyjnego dały imponujące wyniki, osiągając wszystkie szesnaście operacji logicznych na dwóch dowolnych 256-bitowych równoległych wejściach binarnych bez błędu i z prędkością światła. Architektura ta oferuje znaczne korzyści w zakresie skalowalności i integracji, co czyni ją obiecującym kandydatem na systemy komputerowe nowej generacji. Jego elastyczny i rekonfigurowalny charakter otwiera także szeroką gamę zastosowań, od przetwarzania obrazu po optyczne akceleratory obliczeniowe.
Badania te, przeprowadzone w ramach projektu Grant-in-Aid for Transformative Research Areas kierowanego przez profesora Tetsuya Kawanishi z Uniwersytetu Waseda, podkreślają potencjał obliczeń optycznych wykorzystujących równoległość przestrzenną jako element składowy przyszłych systemów obliczeniowych. Stanowi także podwaliny pod nową strukturę przetwarzania informacji, która integruje obrazowanie, wykrywanie i przetwarzanie danych, potencjalnie rozszerzając się na różne dziedziny.
Więcej informacji na temat tych badań można znaleźć w artykule Od fal świetlnych do logiki: najnowocześniejsza technologia przetwarzania optycznego.
Odniesienie: „Rzut dyfrakcyjny” Ryosuke Mashiko, Makoto Naruse i Ryoichi Horisaki, 3 października 2024 r., Zaawansowana fotonika.
DOI: 10.1117/1.AP.6.5.056005
