Hlavní navigace

IBM vyrobilo prototyp optického procesoru. Místo elektřiny pracuje se světlem

Sdílet

Ondřej Novák 14. 1. 2021

Technologický gigant IBM představil prototyp tenzorového jádra, které při výpočtech využívá světelné signály. Vývojáři si od technologie slibují menší odezvu při výpočtech a nárůst výkonu. Optické výpočty mohou najít praktické využití třeba u autonomních vozidel. 

IBM zatím představilo jen funkční prototyp, který není určen k sériové výrobě. Podařilo se ho ale vyrobit pomocí běžných sériových procesů. Studie o prototypu vyšla ve vědeckém žurnálu Nature.

Nové jádro si lze představit jako mikroskopické bludiště se soustavou světlovodných vláken a clon, kterými prochází světelný paprsek. Pří výpočtu pak procesor místo digitálních jedniček a nul využívá analogové vlastnosti světla, zejména intenzitu světelného toku. 


Autor: IBM Research

Vizualizace tenzorového jádra

Celý výpočet pak probíhá mnohem rychleji, protože místo binární soustavy má hardware díky využití několika vlnových délek naráz při výpočtu k dispozici mnohem širší datový tok. Technologie se dá využít i třeba na zpracování přirozeného jazyka, ale pro názornou představu je lepší aplikace při zpracování obrazu.

Výpočet konvolucí

„Jde o výpočetní hardware, který dokáže počítat takzvané konvoluce. V umělé inteligenci se to typicky využívá třeba při rozpoznávání objektů, v případě autonomního řízení jde zejména o rozpoznávání objektů, jako jsou auta, chodci nebo silnice. A jedna z výpočetně náročných operací je právě konvoluce, kdy máte definované filtry, kterými přepočítáváte celý obrázek,“ vysvětluje Miroslav Vodolán, výzkumník z české pobočky IBM.

Běžné procesory potřebují na výpočet konvolucí mnoho času a energie. Při analýze obrázku musí procesor násobit všechny pixely maticí filtru, což je výpočetně velmi náročný úkon. 

„Nový hardware tuto matici reprezentuje sadou světelných kanálků, u kterých lze měnit intenzitu a propustnost světla. Tím se modeluje výpočet,“ říká Vodolán. Technologie se dá podle něj přirovnat k běžným optickým kabelům, kterými se ve stejnou chvíli dá přenášet světlo o různých vlnových délkách. „Díky tomu můžete přes jednu matici počítat více oblastí v jednom obrázku zároveň,“ vysvětluje vývojář z IBM.

Rozpoznávání ručně psaných číslic

Zařízení také potřebuje převodníky, které převedou signál z digitálního na analogový (světelný) a po výpočtu zase zpátky. „Digitální procesory pracují s jedničkami a nulami. Světelným obvodům ale mnohem více vyhovuje práce s analogovou informací. Když chceme digitálně zapsat nějakou hodnotu, bude to sada jedniček a nul. Kdežto v tom analogovém světě se pracuje s intenzitou světla – čím vyšší intenzita, tím vyšší číslo,“ upřesňuje Vodolán. 

Pro převod digitální informace na analogovou se využívá speciální laser, který vygeneruje světlo o specifických vlnových délkách. Po výpočtu v procesoru světlo projde dekodérem, který analogovou informaci převede zpět do digitální podoby.

IBM technologii prezentovalo na úloze rozpoznávání ručně psaných číslic. Napsat pravidla pro takovou úlohu ručně je kvůli velkému množství proměnných velmi zdlouhavý proces. Při použití optických výpočtů v kombinaci se strojovým učením je ale celý proces mnohem jednodušší. Strojové učení vytvoří matici pravidel, jak vypadá konkrétní číslice. Tuto matici pak propočítá napříč celým obrázkem optický modul, který úkol zvládne podstatně rychleji než běžný čip.

„V době, kdy se řada firem pokouší o autonomní řízení prostřednictvím analýzy obrazu z kamer, se rychlost rozpoznávání objektů v obrazu stává kritickou veličinou. A pokud zvládneme vyrobit dostatečně velké optické čipy, které by dokázaly obraz zpracovávat, tak se v konkrétních aplikacích dá dosáhnout mnohem vyšších datových průtoků, než jaké zvládnou běžné čipy,“ shrnuje praktické výhody optických čipů Miroslav Vodolán. 

Optické tenzory navíc do budoucna navzdory vyššímu výkonu slibují energetickou úsporu, která je klíčová například pro dosažení rozumného dojezdu autonomních elektromobilů.

Našli jste v článku chybu?