Физики МГУ оценили потенциал фотонных вычислений

До исследования группы ученых лаборатории нейроморфной фотоники физического факультета МГУ никто не проводил полного численного анализа потенциала фотонного процессора.  Производилось лишь 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. Об этом сообщили в пресс-службе вуза. 

Исследование выполнено при поддержке фонда «Интеллект». Результаты опубликованы в JETP Letters.

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. Эксплуатация данных устройств приводит к потреблению большого количества энергии и активному тепловыделению. 

Для решения данной проблемы ранее в научном сообществе был предложен 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. 

«Мы исследовали одну из частных и наиболее перспективных реализаций фотонного процессора — ее выгодно отличает использование оптической памяти (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 физического факультета 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 возможны 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 одного Ватта, что позволит существенно энергетически удешевить обучение и использование нейронных сетей.

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.