Почему наш кремний, когда у нас есть свет? Microsoft представила оптический компьютер, который в 100 раз быстрее, чем обычный

Команда Microsoft Research представила прототип аналогового оптического компьютера, который использует свет для расчетов и, согласно исследователям, способен работать в 100 раз быстрее и более экономично, чем современные цифровые системы по определенным задачам. Устройство собирается коммерчески доступными компонентами — микро -заработанные диоды, оптические линзы и камеры смартфонов для упрощения производства и снижения затрат. Компьютер функционирует при комнатной температуре как простой настольный компьютер.

В отличие от известных бинарных машин, аналоговый оптический компьютер (AOC) «воплощает» расчеты в физических процессах.

Интенсивность светового сигнала, проходящего через датчик, позволяет выполнять основные операции сбора и умножения, на которых основаны алгоритмы оптимизации. Это задачи, которые лежат в основе нескольких процессов в области финансов, логистики и здравоохранения. В опубликованном документе исследователи показывают два сценария применения: ускоренное восстановление изображений из ядерного магнитного резонанса и оптимизации взаимных платежей в финансовой индустрии.

Для медицины команда разработала алгоритм, который уменьшает объем данных, необходимых для создания высококачественного изображения МРТ. Цифровой близнец AOC смог создать изображения хорошего качества, и расчеты показывают, что в долгосрочной перспективе стандартное время сканирования может быть сокращено с 30 до примерно 5 минут. Это все еще результаты исследований: технология не готова к клиническому использованию, но показывает потенциал и масштабирование.

Финансовый случай был проведен в сотрудничестве с Barclays. Исследователи смоделировали проблему с платежей против определения платежей наиболее эффективным способом урегулирования платежей между несколькими участниками в определенных ограничениях и нормативных требованиях. Протестированная конфигурация включала до 1800 контрагентов и 28 000 транзакций. Эксперименты по аппаратному прототипу и цифровым двойным расчетам показали, что подход представляет собой шкалу для реальных пулов расчетов и может иметь практическую пользу при дальнейшем увеличении емкости AOC.

Текущая версия устройства работает с 256 «весами» (параметры); Предыдущее поколение было ограничено 64.

Увеличение количества микроэлементов и миниатюризации компонентов теоретически позволяет количеству параметров достигать миллионов и более. В то же время сами разработчики подчеркивают, что AOC не претендует на универсальный компьютер: это специализированная система, которая должна быть особенно эффективна в задачах оптимизации и определенных типах нагрузок, связанных с искусственным интеллектом.

Отдельным результатом является приложение AOC к задачам искусственного интеллекта. Исследователи сравнили архитектуру прототипа с алгоритмами, которые позволяют простые операции машинного обучения и указывают на перспективу работы с моделями ИИ более высокого уровня. Благодаря итеративному поиску «с фиксированной точкой» эта аппаратная схема потенциально более подходит для энергоемких операций, связанных с отслеживанием условий, в котором традиционные графические процессоры теряют много ресурсов. Согласно расчетам команды, наблюдается потенциальное повышение энергоэффективности примерно в 100 раз.

Чтобы ускорить разработку экосистемы, Microsoft открыто публикует пакет для задач оптимизации и цифровой двойной AOC — программную модель, которая точно имитирует поведение аппаратного обеспечения. Это позволяет внешним исследователям устанавливать новые задачи, проверять способы сравнения их с оптическим оборудованием и оценивать масштабирование до реального размера. Намерение авторов состоит в том, чтобы обновлять аппаратные версии каждые два года, так как количество параметров увеличивается и технология созревает.

Работа описана в журнале Nature. Microsoft считает, что достижение является важным этапом: она показывает реальные области применения, в которых аналоговая оптика может приносить практические преимущества, а сборка с помощью доступных компонентов и нормальных условий труда упрощает путь к промышленной реализации. Исследователи подчеркивают, что большая часть инженерных работ будет предстоящим дальнейшим увеличением масштаба до проверки результатов для более широкого класса приложений.