ترفع الضوئيات القيود التقنية للحوسبة العصبية

يتمثل القيد الأساسي للأنظمة الإلكترونية في سرعة نقل الإشارات والتوليد الحتمي للحرارة وفقدان الطاقة عند تحريك الإلكترونات عبر المقاومات والترانزستورات. وهنا يأتي دور الضوئيات: إذا استبدلت الإلكترونات بالفوتونات، فسوف تنتشر الإشارات بسرعة الضوء، دون أي خسارة تقريبًا، وفي نفس الوقت عبر قنوات متعددة (ترددات). يلخص مؤلفو المراجعة، المنشورة في مجلة الإلكترونيات الراديوية، العديد من الأساليب المعمارية الرئيسية للأنظمة العصبية الضوئية. تقوم معالجات المصفوفة الضوئية واسعة النطاق المستندة إلى مُعدِّلات Mach-Zehnder بإجراء عملية مضاعفة لمتجه المصفوفة مباشرة في المجال البصري. إن شريحة السيليكون التي يزيد حجمها قليلاً عن طابع البريد قادرة على إجراء أكثر من 100 تريليون عملية ضرب وتراكم في الثانية. الطول الموجي وتعدد الأوضاع: يتم استخدام “ألوان” مختلفة للضوء وأوضاع مكانية مختلفة في دليل موجي واحد كقنوات حوسبة مستقلة، مما يزيد من التوازي بأوامر من حيث الحجم دون زيادة الحجم المادي للرقاقة. مخطط الضرب الضوئي للمتجه بواسطة مصفوفة كبيرة / © Journal of Radio Electronics من الأمور ذات الأهمية الخاصة ما يسمى بحسابات الخزان على أساس فوتوني. في هذه البنية، يتم لعب دور “الخزان” – وهو نظام ديناميكي معقد يخزن ذاكرة إشارات الإدخال السابقة – بواسطة وسيط بصري غير خطي أو ليزر أشباه الموصلات مع ردود فعل خارجية. تثبت هذه الأنظمة القدرة على التعرف على أنماط الكلام والزمن مع الحد الأدنى من المعلمات القابلة للتدريب. الاتجاه الواعد الآخر هو الشبكات العصبية الضوئية التي تحتوي على مواد انتقالية الطور (على سبيل المثال، GST – سبيكة من الجرمانيوم والأنتيمون والتيلوريوم)، والتي يمكنها التبديل بين الحالة غير المتبلورة والبلورية مباشرة تحت تأثير نبض الليزر، وبالتالي تحقيق “الذاكرة” البصرية – وهي نظير اللدونة المتشابكة للدماغ. يغطي نطاق تطبيق الأنظمة العصبية الضوئية النطاق الكامل لمهام الذكاء الاصطناعي الحديث تقريبًا. تتطلب شبكات الاتصالات من الجيل الجديد معالجة تدفقات بيانات تيرابت في الوقت الفعلي – وهنا تظهر المعالجات الضوئية بالفعل سرعات لا يمكن تحقيقها بواسطة نظائرها الإلكترونية. تتطلب المركبات ذاتية القيادة والطائرات بدون طيار التعرف على الأشياء بسرعة البرق في ظل قيود مشددة على الطاقة، وتوفر الشبكات العصبية التلافيفية الضوئية ميزة أساسية. التشخيص الطبي في الوقت الحقيقي، وأنظمة المراقبة عبر الأقمار الصناعية، والاتصالات الكمومية – كل هذه المجالات تنتظر وصول جيل جديد من الأجهزة الضوئية. شريحة ضوئية من مشروع بروميثيوس، مصممة للحوسبة العصبية والكمية. هذه منصة عصبية من الجيل الجديد: دمج الخلايا العصبية البصرية والمصفوفات المتشابكة ووحدات التنشيط غير الخطية في شريحة ضوئية واحدة. التحديات التكنولوجية الرئيسية التي ذكرها مؤلفو المراجعة بأمانة هي تعقيد تنفيذ وظائف التنشيط غير الخطية في المجال البصري، وصعوبات تخزين كميات كبيرة من البيانات (الذاكرة الضوئية لا تزال أقل شأنا من الذاكرة الإلكترونية من حيث كثافة التسجيل)، فضلا عن مشاكل توسيع نطاق الدوائر الضوئية المتكاملة إلى الأحجام الصناعية. ومع ذلك، فقد تسارعت وتيرة التقدم بشكل كبير في السنوات الأخيرة، بدءًا من العروض التوضيحية المعزولة على مستوى عدد قليل من العقد، وحتى الرقائق التي تنفذ مئات من الخلايا العصبية الضوئية المتصلة. ويقدر المؤلفون أن العقد القادم سيجلب منصات إلكترونية بصرية هجينة تجمع بين نقاط القوة في كلتا التقنيتين، ومعالجات ضوئية متكاملة تمامًا يمكنها التنافس مع أفضل وحدات معالجة الرسوميات اليوم في مهام الذكاء الاصطناعي الرئيسية. أشار ديمتري ستوبين، مرشح العلوم التقنية، وهو موظف في مكتب التصميم لتطوير تقنيات الفضاء في MIPT: “إن تقارب الحوسبة العصبية مع التقنيات الضوئية هو استجابة لقيود فيزيائية أساسية: الإلكترونات بطيئة للغاية ومهدرة للغاية بالنسبة لحجم الذكاء الاصطناعي الذي تتحرك البشرية إليه. الضوء خالي من هذه القيود؛ كل ما عليك فعله هو تعلم كيفية التحكم فيه بالدقة المطلوبة”. المخ البشري يعمل بقدرة 20 واط. أقوى مجموعة للذكاء الاصطناعي تبلغ عشرات الميغاوات. الفجوة بين هذه الأرقام هي التحدي الهندسي الرئيسي في العقود القادمة. يمكن للحوسبة العصبية الضوئية أن تقللها حقًا، لا تعتمد على تسريع التكنولوجيا، بل على تغيير فيزياء عملية الحوسبة نفسها.