×

Источник.

Сегодня многие разработки в сфере вычислительной техники (особенно это касается квантовых компьютеров) базируются на пересмотре аппаратных решений. Меняются платформы, архитектурные и функциональные принципы, исходные материалы. Тем не менее кремний остаётся дешёвым и распространённым элементом, и уже не один десяток лет используется в массовом производстве.

Однако мы уже явно выросли из возможностей, предлагаемых нам основанным на нём техпроцессом (использующем, по сути, те же принципы, что и чипы первых дней компьютерной революции 1960-х годов), но и отказаться от него пока не готовы. В то же время одним из возможных путей преодоления ограничений сегодняшних чипов может оказаться взаимодействие кремния со светом.

Инженеры Пенсильванского университета разработали новый чип, выполняющий логические операции не за счёт электричества, а посредством световых волн. Авторы уверены, что их новый сверхскоростной процессор ‒ и есть тот вожделенный грааль информационных технологий, давно искомый всем научным миром. Потенциально этот чип может радикально ускорить обработку данных и снизить её энергопотребление. А в сегодняшних условиях такое решение особенно пригодится для выполнения сложных математических вычислений, на которых основано обучение нейромоделей. 

Будучи профессором электротехники и системной инженерии (кафедра Х. Недвилла Рэмси, в школе Мура Пенсильванского университета), а также членом Института неврологических наук Махони и занимаясь биоинженерией, доктор Надер Энгета со своей командой совершил чуть ли не чудо. Конструктивно новое мощное устройство является кремниево-фотонным (SiPh). И хотя сам подход не нов, эта работа ‒ первая ласточка, столь удачно объединившая новаторские исследования в области использования света для обеспечения математических вычислений с существующими кремниевыми технологиями. То есть теперь «обычные» процессоры смогут производить вычисления со скоростью света.

Прежние кремниево-фотонные метаструктуры предлагают эффективную платформу для выполнения аналоговых вычислений с помощью электромагнитных волн, но из-за вычислительных трудностей их масштабирование для обработки большого количества каналов данных становится очень непростой задачей. Кроме того, типичная процедура такого проектирования ограничена небольшой вычислительной областью, вследствие чего возникает необходимость использовать резонансные характеристики для достижения целей, что неминуемо приводит к узкой полосе пропускания и высокой чувствительности к ошибкам производства. 

Учитывая тот факт, что исследовательская группа Фируза Афлатуни, доцента кафедры электротехники и системной инженерии, была первой, кому удалась разработка кремниевых наноразмерных устройств, команды решили объединить усилия дабы не наступать на грабли. Целью определили создание платформы для выполнения так называемого умножения векторных матриц ‒ основной математической операции компьютерной архитектуры, лежащей в основе современных инструментов искусственного интеллекта. Она обеспечивает как разработку, так и функционирование алгоритмов глубокого обучения.

В статье, опубликованной в журнале Nature Photonics, учёные описывают разработку нового чипа.

Как объясняет профессор Энгета, лауреат медали Бенджамина Франклина, хитрость в том, что вместо использования кремниевой пластины одинаковой высоты «вы делаете кремний тоньше, скажем, на 150 нанометров», но только не везде, а строго в определённых областях. Благодаря одному этому, без добавления каких-либо других материалов, обеспечиваются средства контроля распространения света через чип. Дело в том, что посредством распределения изменений высот можно моделировать рассеивание света ‒ попросту управлять им. Задав чипу оптимальные шаблоны этого рассеивания путём высотных трансформаций, мы сможем получить математические вычисления со скоростью света.

Афлатуни заявляет, что конструкция уже готова для коммерческого применения в соответствии с требованиями производителя микросхем. Он также отмечает и потенциальную возможность её адаптации под графические процессоры (GPU), спрос на которые резко возрос вместе с широким распространением интереса к разработке новых систем искусственного интеллекта.

«Они могут использовать платформу Silicon Photonics в качестве дополнения, ‒ говорит учёный, ‒ и тогда вы сможете ускорить обучение и классификацию».

К возросшей эффективности за счёт прироста в скорости и уменьшения потребления энергии, чип Энгета и Афлатуни добавляет ещё одно немаловажное преимущество: поскольку многие вычисления могут выполняться одновременно, необходимость хранить конфиденциальную информацию в рабочей памяти компьютера просто отпадает. Такое решение вопроса информационной безопасности сделает будущий компьютер практически неуязвимым для взлома.

«Никто не может взломать несуществующую память, чтобы получить доступ к вашей информации», ‒ подчёркивает Афлатуни.

 


АРМК, по материалам университета Пенсильвании.