
Οι μηχανικοί του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια (Penn) έχουν αναπτύξει ένα νέο τσιπ που χρησιμοποιεί κύματα φωτός, αντί για ηλεκτρισμό, για να εκτελέσει τα πολύπλοκα μαθηματικά που είναι απαραίτητα για την εκπαίδευση της τεχνητής νοημοσύνης. Το τσιπ έχει τη δυνατότητα να επιταχύνει ριζικά την ταχύτητα επεξεργασίας των υπολογιστών, ενώ παράλληλα μειώνει την κατανάλωση ενέργειας.
Ο σχεδιασμός του πυριτίου-φωτονικού τσιπ (SiPh) είναι το πρώτο που συγκεντρώνει τον βραβευμένο με το μετάλλιο Benjamin Franklin και την πρωτοποριακή έρευνα του καθηγητή Nader Engheta στον χειρισμό υλικών σε νανοκλίμακα για την εκτέλεση μαθηματικών υπολογισμών χρησιμοποιώντας φως – το ταχύτερο δυνατό μέσο επικοινωνίας – με την πλατφόρμα SiPh, η οποία χρησιμοποιεί πυρίτιο, το φθηνό, άφθονο στοιχείο που χρησιμοποιείται για τη μαζική παραγωγή τσιπ υπολογιστών.
Η αλληλεπίδραση των κυμάτων φωτός με την ύλη αντιπροσωπεύει μια πιθανή οδό για την ανάπτυξη υπολογιστών που αντικαθιστούν τους περιορισμούς των σημερινών τσιπ, τα οποία βασίζονται ουσιαστικά στις ίδιες αρχές με τα τσιπ από τις πρώτες ημέρες της υπολογιστικής επανάστασης στη δεκαετία του 1960.
Σε μια εργασία στο Nature Photonics, η ομάδα του Engheta, μαζί με αυτή του Firooz Aflatouni, Αναπληρωτή Καθηγητή στην Ηλεκτρολογία και Μηχανική Συστημάτων, περιγράφει την ανάπτυξη του νέου τσιπ.
«Αποφασίσαμε να ενώσουμε τις δυνάμεις μας», λέει ο Engheta, αξιοποιώντας το γεγονός ότι η ερευνητική ομάδα του Aflatouni έχει πρωτοπορήσει σε συσκευές πυριτίου νανοκλίμακας.
Ο στόχος τους ήταν να αναπτύξουν μια πλατφόρμα για την εκτέλεση αυτού που είναι γνωστό ως πολλαπλασιασμός διανυσμάτων-μήτρας, μια βασική μαθηματική λειτουργία για την ανάπτυξη και τη λειτουργία των νευρωνικών δικτύων, την αρχιτεκτονική του υπολογιστή που τροφοδοτεί τα σημερινά εργαλεία AI.
Αντί να χρησιμοποιήσετε κομμάτι πυριτίου ομοιόμορφου ύψους, εξηγεί ο Engheta, «κάνετε το πυρίτιο πιο λεπτό, ας πούμε 150 νανόμετρα», αλλά μόνο σε συγκεκριμένες περιοχές.
Αυτές οι διακυμάνσεις ύψους – χωρίς την προσθήκη άλλων υλικών – παρέχουν ένα μέσο ελέγχου της διάδοσης του φωτός μέσω του τσιπ, καθώς οι διακυμάνσεις στο ύψος μπορούν να κατανεμηθούν για να προκαλέσουν τη διασπορά του φωτός σε συγκεκριμένα σχέδια, επιτρέποντας στο τσιπ να λειτουργεί μαθηματικούς υπολογισμούς με την ταχύτητα του φωτός.
Λόγω των περιορισμών που επιβάλλονται από το εμπορικό χυτήριο που παρήγαγε τα τσιπ, λέει ο Aflatouni, αυτός ο σχεδιασμός είναι ήδη έτοιμος για εμπορικές εφαρμογές και θα μπορούσε ενδεχομένως να προσαρμοστεί για χρήση σε μονάδες επεξεργασίας γραφικών (GPU), η ζήτηση των οποίων έχει εκτοξευθεί στα ύψη με το ευρέως διαδεδομένο ενδιαφέρον για την ανάπτυξη νέων συστημάτων AI.
«Μπορείτε να υιοθετήσετε την πλατφόρμα Silicon Photonics ως πρόσθετο», λέει ο Aflatouni, «και τότε θα μπορούσατε να επιταχύνετε την εκπαίδευση και την ταξινόμηση».
Εκτός από τη μεγαλύτερη ταχύτητα και τη λιγότερη κατανάλωση ενέργειας, το τσιπ των Engheta και Aflatouni έχει πλεονεκτήματα προστασίας της ιδιωτικής ζωής: επειδή πολλοί υπολογισμοί μπορούν να πραγματοποιηθούν ταυτόχρονα, δεν θα υπάρχει ανάγκη αποθήκευσης ευαίσθητων πληροφοριών στη μνήμη εργασίας ενός υπολογιστή, καθιστώντας έναν μελλοντικό υπολογιστή που τροφοδοτείται από τέτοια τεχνολογία ουσιαστικά «αχακάριστο».
«Κανείς δεν μπορεί να χακάρει μια ανύπαρκτη μνήμη για να έχει πρόσβαση στις πληροφορίες σας», λέει ο Aflatouni.
Αυτή η μελέτη διεξήχθη στη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών του Πανεπιστημίου της Πενσυλβάνια και υποστηρίχθηκε εν μέρει από επιχορήγηση από την Multidisciplinary University Research Initiative (MURI) του Γραφείου Επιστημονικής Έρευνας της Αεροπορίας των ΗΠΑ (AFOSR) στον Engheta (FA9550-21-1- 0312) και επιχορήγηση από το Γραφείο Ναυτικών Ερευνών των ΗΠΑ (ONR) προς τον Aflatouni (N00014-19-1-2248).
Επιστημονικό Άρθρο:
Vahid Nikkhah, Ali Pirmoradi, Farshid Ashtiani, Brian Edwards, Firooz Aflatouni, Nader Engheta. Inverse-designed low-index-contrast structures on a silicon photonics platform for vector–matrix multiplication. Nature Photonics, 2024