Το μέλλον των ηλεκτρονικών συσκευών βρίσκεται σε μια πηγή που υπήρχε, υπάρχει και θα υπάρχει… στο φως!
Τι εννοούν οι επιστήμονες;
Οι τανυστικές πράξεις (tensor operations) είναι η «καρδιά» της Τεχνητής Νοημοσύνης (ΤΝ).
Πρόκειται για μαθηματικούς υπολογισμούς που επιτρέπουν στα νευρωνικά δίκτυα να αναγνωρίζουν πρόσωπα, να κατανοούν ομιλία και να κερδίζουν ακόμη και κορυφαίους σκακιστές.
Το πρόβλημα όμως είναι ότι οι κλασικοί υπολογιστές (ακόμα και τα GPU) δυσκολεύονται ολοένα και περισσότερο:
Η ταχύτητα πέφτει (δισεκατομμύρια πράξεις απαιτούν δευτερόλεπτα).
Η κατανάλωση ενέργειας εκτοξεύεται (ολόκληρα data centers καίνε τεράστια ποσά ρεύματος).
Η κλιμάκωση είναι δύσκολη (όσο προσθέτεις servers, τόσο αυξάνεται το κόστος).
Τι θα γινόταν όμως, αν αντί για ηλεκτρόνια χρησιμοποιούσαμε… φως; – Γιατί το φως θα νικήσει την ηλεκτρονική επιστήμη
Διεθνής ομάδα ερευνητών με επικεφαλής τον Dr. Yufeng Zhang (Aalto University, Φινλανδία) απέδειξε ότι πολύπλοκοι τανυστικοί υπολογισμοί μπορούν να εκτελούνται με ένα μόνο πέρασμα μιας δέσμης φωτός. Χωρίς επεξεργαστές, χωρίς μικροτσίπ — μόνο η φυσική του φωτός.
Φανταστείτε έναν κύβο του Ρούμπικ 10 διαστάσεων.
Ένας κλασικός υπολογιστής θα γυρίζει τις πλευρές μία-μία.
Το φως όμως λύνει το πρόβλημα ακαριαία — όλες οι διαστάσεις ταυτόχρονα.
Γιατί;
– Η πληροφορία κωδικοποιείται σε κύματα φωτός (πλάτος, φάση, μήκος κύματος).
– Τα κύματα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους — εκτελώντας αυτόματα πολύπλοκες μαθηματικές πράξεις (πολλαπλασιασμούς μητρώων, convolutions, attention).
– Το αποτέλεσμα προκύπτει σε νανοδευτερόλεπτα — η ταχύτητα του φωτός δεν ξεπερνιέται.
«Η μέθοδός μας κάνει ό,τι και οι GPU, αλλά με την ταχύτητα του φωτός και χωρίς υπερθέρμανση», λέει ο Yufeng Zhang.
Πώς λειτουργεί: το “τελωνείο” των δεδομένων
Οι επιστήμονες το εξηγούν με μια όμορφη αναλογία:
Ένας κλασικός υπολογιστής είναι σαν τελωνείο όπου κάθε δέμα (δεδομένα) περνά από πολλούς ελέγχους, έναν-έναν.
Ένας οπτικός υπολογιστής αφήνει όλα τα δέματα να περάσουν από όλους τους ελέγχους ταυτόχρονα.
Πώς;
Το φως δημιουργεί «οπτικά άγκιστρα» (patterns συμβολής), τα οποία οργανώνουν και επεξεργάζονται τα δεδομένα αυτόματα, με αποτέλεσμα…
– Τέρμα τα διαδοχικά βήματα — 100% παραλληλία.
– Καμία κατανάλωση για εναλλαγή τρανζίστορ — το φως ρέει ελεύθερα.
Δεν υπάρχουν όρια στη διάσταση των δεδομένων — ούτε στα 100-D.
Παθητικοί υπολογισμοί: το φως δουλεύει μόνο του
Το πιο εντυπωσιακό στοιχείο της νέας τεχνολογίας…
– το φως, περνά μέσα από το οπτικό σύστημα χωρίς ηλεκτρονικούς ελεγκτές.
– Οι υπολογισμοί είναι «ενσωματωμένοι» στη μορφή των φωτεινών δεσμών.
– Το αποτέλεσμα απλώς συλλέγεται στην έξοδο — τέλος.
«Αυτό μπορεί να υλοποιηθεί σε οποιαδήποτε οπτική πλατφόρμα — από εργαστηριακές διατάξεις έως φωτονικά chips», λέει ο Prof. Zhipei Sun (Aalto University).
Το μέλλον της ΤΝ: φως αντί για κάρτες γραφικών
Πότε θα έρθει η επανάσταση;
Σύμφωνα με τον Zhang, σε 3–5 χρόνια οι οπτικοί επεξεργαστές θα ενσωματωθούν στις υπάρχουσες υποδομές ΤΝ.
Αυτό σημαίνει πως…
– Οι υπερυπολογιστές θα μειώσουν την κατανάλωση ρεύματος κατά 100 φορές.
– Η εκπαίδευση νευρωνικών δικτύων θα γίνεται χιλιάδες φορές πιο γρήγορα (η σημερινή εβδομάδα θα γίνεται… ένα λεπτό).
– Τα κινητά θα αποκτήσουν ισχυρή ΤΝ χωρίς να υπερθερμαίνονται.
Πρακτικά, γεννιέται μια νέα γενιά υλικού:
– Φωτονικά chips αντί για πυρίτιο.
– Οπτικά νευρωνικά δίκτυα αντί για ψηφιακά.
– Η ταχύτητα του φωτός ως νέο όριο μηχανικής.
Ένα λαμπρό μέλλον — κυριολεκτικά
Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι οι οπτικοί τανυστικοί υπολογισμοί δεν θα επιταχύνουν απλώς την ΤΝ — θα αλλάξουν ολόκληρη την τεχνολογία:
– Ιατρική (ανάλυση MRI και DNA σε δευτερόλεπτα).
– Αυτόνομα οχήματα (αντίδραση χωρίς καθυστέρηση).
– Οικονομική ανάλυση (αληθινό real-time forecasting).
«Δεν βελτιώνουμε απλώς τους υπολογισμούς — αλλάζουμε τη φυσική βάση της ΤΝ. Το φως θα επιτρέψει ό,τι σήμερα θεωρείται αδύνατο», καταλήγει ο Yufeng Zhang.
