Ученые МГУ оценили потенциал фотонных вычислений

Искусственные нейронные сети прочно вошли в нашу повседневную жизнь — они используются для ряда вычислительных задач, таких как анализ и обработка изображений, генерация текста и видео и т.д. Но обучение и использование нейросетей требует крайне большого количества вычислений, для которых применяются профессиональные видеокарты и суперкомпьютеры. Использование данных устройств приводит к потреблению большого количества энергии и активному тепловыделению.

Для решения данной проблемы ранее в научном сообществе был предложен концепт концепт фотонного процессора, который потребляет на порядки меньше энергии чем его электронные аналоги сопоставимой мощности — это становится возможным из-за отсутствия тепловыделения при распространении света по процессору. Данный подход позволяет проводить обработку данных в высоко параллельном режиме, что кратно повышает скорость вычислений.

До работы группы ученых из МГУ никто не поводил полного численного анализа потенциала фотонного процессора — производилось обобщение данных, экспериментально полученных на вычислителях с малым количеством элементов, на крупномасштабные системы. Предложенный подход позволил не только значительно уточнить потенциальную производительность, но и оценить работоспособность системы в целом. Результаты опубликованы в JETP Letters.

«Мы исследовали одну из частных и наиболее перспективных реализаций фотонного процессора — ее выгодно отличает использование оптической памяти (т.н. халькогенидных стекол) для представления чисел в процессоре, что позволяет отойти от традиционной архитектуры фон Неймана и хранить данные для вычислений напрямую в процессоре. Для численного исследования потенциала масштабирования процессора каждый его элемент был представлен в виде матрицы электрического и оптического отклика, перемножение которых в правильном порядке давало суммарный отклик всей системы на используемое излучение входных лазеров», — рассказал один из авторов исследования, инженер лаборатории нейроморфной фотоники МГУ Григорий Колосов.

Сопоставляя мощность шума и сигнала на выходе из системы, авторы исследования смогли определить, что максимально возможный размер одного ядра фотонного процессора, при котором еще возможные точные и незашумленные вычисления, составляет 15х15 элементов оптической памяти. Данный результат позволяет сделать вывод о ранее завышенных оценках потенциала оптических вычислений.

Тем не менее, фотонный процессор способен потенциально предоставить производительность в 4 ТОПС (тераопераций в секунду) на ядро при энергопотреблении менее 1 Ватта, что позволит существенно энергетически удешевить обучение и использование нейронных сетей.

Напомним, что целью работы лаборатории нейроморфной фотоники, поддерживаемой фондом «Интеллект», является исследование и разработка новых принципов оптических вычислений, а также аналоговых подходов для создания искусственных интеллектуальных систем. В перспективе, на основе данных разработок планируется создание прототипов новых вычислительных устройств и их элементной базы.