کامپیوترهای مبتنی بر نور؛ راهحلی برای مسئله انرژی هوش مصنوعی
محققان پن استیت نمونه اولیهای ساختهاند که از «آینه بینهایت» برای کاهش مصرف انرژی سیستمهای هوش مصنوعی با استفاده از محاسبات نوری بهره میبرد.
کامپیوترهای نوری و چالش انرژی هوش مصنوعی
افزایش روزافزون استفاده از هوش مصنوعی (AI)، از جمله محصولاتی مانند ChatGPT، نیازمند توان محاسباتی عظیمی است که در نتیجه مصرف انرژی بالایی را تحمیل میکند. طبق برآوردهای آژانس بینالمللی انرژی (IEA)، مراکز داده حدود ۱.۵ درصد از مصرف انرژی جهانی در سال ۲۰۲۴ را به خود اختصاص دادهاند و پیشبینی میشود این میزان تا سال ۲۰۳۰ دو برابر شود. این امر، جستجو برای روشهای محاسباتی جایگزین و سبزتر را حیاتی میسازد. کامپیوترهای نوری، که به جای مدارهای الکتریکی از نور برای انجام محاسبات استفاده میکنند، یکی از راهحلهای جذاب در این مسیر محسوب میشوند.
تیم تحقیقاتی دانشگاه پن استیت مقالهای در مجله Science Advances منتشر کردهاند که نشان میدهد چگونه محاسبات نوری میتواند مصرف برق سیستمهای هوش مصنوعی را کاهش دهد. پروفسور شینجیه نی، یکی از نویسندگان این مقاله، تأکید کرد که کار آنها اثبات مفهومی برای بهرهمندی صنعت رو به رشد هوش مصنوعی از محاسبات نوری است. او بیان کرد: «گاهی پیشرفت از بازنگری فیزیک آشنا با یک هدف نوین حاصل میشود.»
موانع محاسبات نوری سنتی
کامپیوترهای نوری برای سالها در دسته پروژههای «ماه به سر» (Moonshot) صنعت فناوری باقی ماندهاند. چالش اصلی، وادار کردن نور به انجام توابع غیرخطی (nonlinear functions) است که برای پردازش دادهها در شبکههای عصبی مورد نیاز است. نور ذاتاً در خط مستقیم حرکت میکند و برای دستیابی به غیرخطی بودن، اغلب نیاز به مواد خاص یا لیزرهای پرقدرت است که مزیت بهرهوری انرژی نور را زیر سؤال میبرد.
- سیستمهای نوری سنتی برای ایجاد غیرخطی بودن به مواد خاص یا لیزرهای پرقدرت نیاز داشتند.
- دادههای نوری اغلب نیاز به پردازش غیرخطی دارند که برای شبکههای عصبی ضروری است.
- مصرف انرژی دفاتر دادهها به سرعت در حال افزایش است و میتواند تا سال ۲۰۳۰ دو برابر شود.
- انتقال داده نوری امروزه در مراکز داده بزرگ و ارتباطات زمینی به هوایی استفاده میشود.
- هدف نهایی، توسعه سختافزارهای محاسباتی سریعتر و سبزتر برای مقابله با این چالشها است.
«غیرخطی بودن نوری واقعی معمولاً ضعیف و دسترسی به آن دشوار است؛ اغلب به لیزرهای با توان بالا یا مواد تخصصی نیاز دارد که پیچیدگی را اضافه کرده و میتواند مزیت بهرهوری انرژی اپتیک را تضعیف کند.»
راهحل «آینه بینهایت» پن استیت
محققان پن استیت راهحلی مبتکرانه ارائه دادهاند که از یک ساختار «آینه بینهایت» استفاده میکند. این ساختار، عناصر نوری کوچکی را به صورت حلقوی به کار میگیرد تا دادهها را مستقیماً در پرتوهای نور رمزگذاری کند و از این طریق، یک رابطه غیرخطی با گذشت زمان ایجاد نماید. سپس این الگوهای نوری توسط یک دوربین میکروسکوپی ثبت میشوند.
«نکته کلیدی این است که یک ساختار نوری با طراحی دقیق میتواند رفتار ورودی-خروجی غیرخطی مورد نیاز هوش مصنوعی را بدون تکیه بر مواد غیرخطی قوی یا لیزرهای پرقدرت تولید کند.»
این روش به نور اجازه میدهد تا در سیستم «طنینانداز» شود، که این امر نگاشت غیرخطی را ایجاد کرده و سختافزار را ساده، کممصرف و سریع نگه میدارد. با این حال، دکتر نی اذعان دارد که تبدیل این نمونه اولیه به یک سیستم کاربردی در مراکز داده هنوز زمان نیاز دارد و یک جدول زمانی واقعبینانه برای رسیدن به نمونههای اولیه قابل ارائه به صنعت بین تخمین زده میشود، مشروط به سطح سرمایهگذاری.
