این روش جدید پردازش هوش مصنوعی را با سرعت نور ممکن می‌ کند

محققان دانشگاه آلتو و آکادمی علوم چین، روشی نوین برای انجام پردازش تنسوری ارائه کرده‌اند که می‌تواند عملیات سنگین پردازش هوش مصنوعی را تنها با یک‌بار عبور نور و با سرعت نور انجام دهد.

به گزارش سرویس فناوری تک‌ناک، این پیشرفت در مقاله‌ای با عنوان «پردازش مستقیم تنسور با نور همدوس» در نشریه Nature Photonics منتشر شده است و نشان می‌دهد که چگونه محاسبات پیچیده می‌توانند تنها با یک انتشار نور انجام شوند؛ قابلیتی که «محاسبات تنسوری تک‌مرحله‌ای با سرعت نور» نام گرفته است.

پردازش تنسوری روشی برای سازمان‌دهی و محاسبه داده‌ها در قالب آرایه‌های چندبعدی است؛ ساختاری که امکان نمایش و تحلیل حجم عظیمی از اطلاعات را در مدل‌های پیچیده فراهم می‌کند. تنسور در ساده‌ترین حالت؛ نسخه چندبعدی یک ماتریس است و می‌تواند داده‌ها را در ابعاد بسیار فراتر از جدول‌های دوبعدی ذخیره کند. این ساختار اساس بسیاری از الگوریتم‌های یادگیری عمیق، از جمله شبکه‌های عصبی پیچشی، مدل‌های زبان و سامانه‌های بینایی ماشین است. در این فرایند، عملیات ریاضی گسترده‌ای مانند ضرب تنسوری، تبدیل، فشرده‌سازی و نگاشت داده‌ها انجام می‌شود تا الگوهای پنهان استخراج شوند. پردازش تنسوری به دلیل قابلیت موازی‌سازی بالا و قدرت نمایش پیچیدگی‌های چندبعدی، ستون فقرات توسعه هوش مصنوعی مدرن به‌ویژه در مقیاس‌های بزرگ به حساب می‌آید.

نیاز روزافزون به سرعت پردازش بالا، تنها ناشی از خواسته‌های کاربران برای دسترسی سریع‌تر به پخش ویدیویی یا بازی‌های واقعیت مجازی نیست، بلکه نتیجه رشد انفجاری داده‌ها و شبکه‌های هوش مصنوعی در سال‌های اخیر است. واحدهای پردازش گرافیکی معمولی که ستون فقرات پردازش‌های مدرن هستند، در برابر حجم بی‌سابقه داده‌ها و بار عظیم شبکه‌های عصبی، توان کافی برای مقیاس‌پذیری ندارند. علاوه بر این، مراکز داده هوش مصنوعی که مملو از GPUها هستند، برق و آب فراوانی مصرف می‌کنند و آثار زیست‌محیطی قابل توجهی بر جای می‌گذارند.

روشی جدید برای پردازش هوش مصنوعی با سرعت نور معرفی شد — نمودار شماتیک روش پردازش تنسوری نوری: در بخش سمت چپ، مراحل فرایند شامل ورودی، کدگذاری فاز خطی، تبدیل فوریه ستونی، ضرب هادامارد با ماتریس ترانهاده B و تبدیل فوریه سطری نمایش داده شده است. در بخش سمت راست، مسیر نوری سیستم شامل ماتریس‌های ورودی A و B، ماژول‌های ASLM و PSLM، تقسیم‌کننده‌های پرتو، لنزها، آینه، واحد لیزر و حسگر qCMOS ترسیم شده است، که نحوه انجام ضرب ماتریسی نوری را نشان می‌دهد.

در چنین شرایطی، تیم تحقیقاتی به رهبری یوفنگ ژانگ از دانشگاه آلتو و شیائوبینگ لیو از آکادمی علوم چین روش جدیدی را معرفی کرده‌اند که می‌تواند کل معادله را تغییر دهد. ژانگ در توضیح این فناوری گفت: «روش ما همان عملیات‌هایی را انجام می‌دهد که GPUها برای پردازش هوش مصنوعی به کار می‌گیرند، اما همه را با سرعت نور انجام می‌دهد.» این روش به‌جای استفاده از سیگنال‌های الکترونیکی دودویی، از دامنه و فاز امواج نوری برای ذخیره‌سازی، پردازش و انتقال داده بهره می‌گیرد؛ اقدامی که سرعت، پهنای باند و بهره‌وری انرژی را به‌طور چشمگیری افزایش می‌دهد.

یکی از نوآوری‌های کلیدی این روش، استفاده از چندین طول‌موج نور برای انجام هم‌زمان عملیات پیچیده تنسوری است؛ عملیاتی که اساس شبکه‌های عصبی عمیق، پردازش زبان طبیعی و تحلیل تصویر را تشکیل می‌دهد. محاسبات تنسوری معمولاً در سطوح بسیار بالا و چندبعدی انجام می‌شود و نیازمند منابع پردازشی عظیم است. محققان معتقد هستند که روش نوری جدید می‌تواند این محاسبات را به‌ صورت موازی و تنها در یک مرحله انجام دهد.

ژانگ برای توضیح این تفاوت از مثال مأمور گمرک استفاده کرد. وی بیان کرد: «در محاسبات الکترونیکی، هر بسته باید یک‌به‌یک از دستگاه‌های مختلف عبور کند. اما در محاسبات نوری، ما همه بسته‌ها و دستگاه‌ها را باهم ادغام و چندین قلاب نوری ایجاد می‌کنیم که ورودی‌ها را به صورت مستقیم به خروجی‌های درست متصل می‌کند. با یک عبور نور، تمام پردازش‌ها هم‌زمان و فوری انجام می‌شوند.»

به گفته ژپی سون، سرپرست گروه فوتونیک دانشگاه آلتو، این فناوری قابلیت آن را دارد که به صورت مستقیم روی تراشه‌های فوتونیک ادغام شود و نسل تازه‌ای از پردازنده‌های مبتنی بر نور را شکل دهد. وی تأکید کرد که این روش با مصرف انرژی بسیار ناچیز می‌تواند پردازش‌های عظیم هوش مصنوعی را تسریع کند.

پژوهشگران امیدوار هستند که ظرف پنج سال آینده این فناوری را برای استفاده در پلتفرم‌ها و سخت‌افزارهای موجود عملیاتی کنند. در صورت موفقیت، جهان با نسلی تازه از سامانه‌های محاسبات نوری مواجه خواهد شد که سرعت و بهره‌وری هوش مصنوعی را در حوزه‌های مختلف جهش می‌دهد.