W MIT opracowano architekturę nowego fotonowego procesora. Zwiększy on wydajność pracy optycznych sieci neuronowych tysiąckrotnie w porównaniu z podobnymi urządzeniami.
Układ chipu zmniejszy zużycie energii elektrycznej w centrach danych. Wyjaśniamy, jak jest zbudowany.
Zdjęcie — Czym tak naprawdę jest problem
Po co potrzebna jest nowa architektura
Sieci neuronowe oparte na świetle działają szybciej niż tradycyjne rozwiązania wykorzystujące komponenty elektroniczne. Światło izolacji ścieżek sygnałowych, a promienie laserowe mogą przenikać przez siebie bez wzajemnego wpływu. Dzięki temu wszystkie ścieżki sygnałowe mogą działać jednocześnie, co zapewnia wysoką przepustowość danych.
Jednak istnieje problem — im większy rozmiar sieci neuronowej, tym więcej energii zużywa. Aby rozwiązać ten problem, opracowywane są specjalne układy przyspieszające (AI accelerators), które optymalizują przesył danych. Jednak nie skalują się tak dobrze, jak by się chciało.
Rozwiązaniem problemu efektywności energetycznej i skalowalności optycznych chipów zajęli się w MIT i nowa architektura fotonowego przyspieszacza, która zmniejsza zużycie energii urządzenia tysiąckrotnie i działa z dziesiątkami milionów neuronów. Programiści twierdzą, że w przyszłości technologia znajdzie zastosowanie w centrach danych, które współpracują z złożonymi systemami inteligentnymi i algorytmami uczenia maszynowego, a także zajmują się analizą dużych zbiorów danych.
Czym ona jest
Nowy chip oparty jest na schemacie optoelektronicznym. Przesyłane dane nadal są kodowane sygnałami optycznymi, ale do mnożenia macierzy używa się detekcji homodynowej (). Jest to technika, która pozwala na utworzenie sygnału elektrycznego na podstawie dwóch sygnałów optycznych.
Do przesyłania impulsów świetlnych z informacjami o neuronach wejściowych i wyjściowych wykorzystuje się jedną ścieżkę sygnałową. Dane o wagach neuronów z kolei płyną osobnymi kanałami. Wszystkie one "rozprzestrzeniają się" po węzłach sieci homodinamicznych fotodetektorów, które obliczają wartość wyjściową dla każdego neuronu (określają poziom sygnału). Następnie ta informacja trafia do modulatora, który przekształca sygnał elektryczny z powrotem w optyczny. Dalej jest on wysyłany do następnej warstwy sieci neuronowej, a proces się powtarza.
W swojej pracy naukowej inżynierowie z MIT następujący schemat dla jednej warstwy:
Obraz: / CC BY
Nowa architektura przyspieszacza AI wymaga tylko jednego wejścia i jednego wyjścia dla każdego neuronu. W rezultacie liczba fotodetektorów jest równa liczbie neuronów, a nie ich wagom.
Takie podejście pozwala zaoszczędzić miejsce na chipie, zwiększyć liczbę użytecznych ścieżek sygnałowych i zoptymalizować zużycie energii. Aktualnie inżynierowie z MIT tworzą prototyp, który pozwoli praktycznie przetestować możliwości nowej architektury.
Kto jeszcze rozwija fotonowe chipy
Rozwój podobnej technologii Lightelligence — mały startup z Bostonu. Pracownicy firmy twierdzą, że ich przyspieszacz AI pozwoli na rozwiązanie zadań uczenia maszynowego setki razy szybciej niż tradycyjne urządzenia. W zeszłym roku zespół kończył tworzenie prototypu swojego urządzenia i przygotowywał się do przeprowadzenia testów.
Działa w dziedzinie fotonowych chipów również Cisco. Na początku roku firma ogłosiła startupu Luxtera, który projektuje fotonowe chipy do centrów danych. W szczególności firma produkuje interfejsy sprzętowe, które pozwalają na bezpośrednie podłączenie światłowodu do serwerów. Takie podejście zwiększa przepustowość sieci i przyspiesza transfer danych. Urządzenia Luxtera wykorzystują specjalne lasery do kodowania informacji i germanowe fotodetektory do jej dekodowania.
Zdjęcie — Czym tak naprawdę jest problem
Zajmują się technologiami optycznymi także inne duże firmy IT, na przykład Intel. Już w 2016 roku zaczęli produkować własne optyczne chipy, optymalizujące przesył danych między centrami danych. Niedawno przedstawiciele organizacji , które planują wdrożyć te technologie poza centrami danych — w lidarach dla autonomicznych samochodów.
Co z tego wynika
Na razie technologie fotonowe nie mogą być określone jako uniwersalne rozwiązanie. Ich wdrożenie wymaga dużych inwestycji w modernizację centrów danych. Jednak badania prowadzone na MIT i w innych instytucjach sprawią, że chipy optyczne będą tańsze i prawdopodobnie umożliwią ich wprowadzenie na masowy rynek wyposażenia dla centrów danych.
My w pomagamy firmom rozwijać infrastrukturę IT i oferujemy usługi prywatnej oraz hybrydowej chmury. O tym piszemy w naszym blogu korporacyjnym:
Źródło: habr.com
