Физики оценили потенциал фотонного процессора

Группа ученых лаборатории нейроморфной фотоники физического факультета МГУ провела первое в своем роде полное численное исследование потенциала фотонного процессора, результаты которого опубликованы в JETP Letters. Работа выполнена при поддержке фонда «Интеллект» и направлена на решение одной из ключевых проблем современных вычислений — высокого энергопотребления при обучении и использовании искусственных нейронных сетей.

Контекст и актуальность исследования

Современные нейросетевые технологии требуют огромных вычислительных ресурсов, что приводит к использованию мощных графических ускорителей и суперкомпьютеров, потребляющих значительное количество энергии и выделяющих большое количество тепла.

В качестве альтернативы был предложен концепт фотонного процессора, который, благодаря использованию света вместо электрических сигналов, позволяет значительно снизить энергозатраты и повысить параллелизм вычислений. Однако до настоящего момента не проводилось детального численного анализа масштабируемости таких систем, а оценки их производительности строились на экстраполяции данных, полученных на малых экспериментальных установках.

Методология и ключевые результаты

Ученые МГУ исследовали частную, но перспективную архитектуру фотонного процессора, основанную на оптической памяти из халькогенидных стекол. Эта технология позволяет хранить данные непосредственно в процессоре, избегая ограничений классической архитектуры фон Неймана. Для моделирования работы системы каждый элемент процессора был представлен в виде матрицы электрического и оптического отклика, а их последовательное перемножение позволило получить суммарную реакцию системы на лазерное излучение.

Анализ соотношения сигнала и шума на выходе показал, что максимальный размер одного ядра процессора, при котором возможно проведение точных вычислений, составляет 15×15 элементов оптической памяти. Это уточнение опровергает ранее завышенные оценки потенциала фотонных вычислений. Тем не менее, даже при таких ограничениях процессор способен обеспечить производительность до 4 ТОПС (тераопераций в секунду) на ядро при энергопотреблении менее 1 Ватта, что значительно превосходит традиционные электронные аналоги.

Значение и перспективы

Данное исследование не только уточняет пределы масштабируемости фотонных процессоров, но и демонстрирует их практическую применимость для энергоэффективных вычислений. Лаборатория нейроморфной фотоники, поддерживаемая фондом «Интеллект», продолжает разработку новых принципов оптических и аналоговых вычислений, что в перспективе может привести к созданию прототипов новых вычислительных систем с высокой производительностью и низким энергопотреблением.

Таким образом, работа ученых МГУ вносит значительный вклад в развитие фотонных технологий, открывая путь к созданию более эффективных решений для искусственного интеллекта и высокопроизводительных вычислений.