光子代替電子 新光子芯片助力深度學(xué)習

　　基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法的計算機深度學(xué)習系統已成為目前計算機領(lǐng)域研究的前沿熱點(diǎn)，它的原理是使人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法模仿人腦從實(shí)踐中學(xué)習的方式進(jìn)行學(xué)習。它除了可以用來(lái)實(shí)現面部和聲音識別以外，還可通過(guò)搜尋大量的醫學(xué)數據來(lái)進(jìn)行醫學(xué)診斷，或者通過(guò)搜尋化學(xué)方程式來(lái)尋找潛在的新藥合成方式。

　　但是這類(lèi)的系統的計算非常復雜，對機器要求很高，即使對于現有性能最強的計算機也不是件容易的事。

　　然而，來(lái)自于MIT的研究團隊和他們的合作者，提出一種新的方法，用光子代替電子，來(lái)進(jìn)行計算。他們表示這種方法將會(huì )大大提高計算速度和效率。他們的實(shí)驗結果今天發(fā)表在著(zhù)名期刊《自然.光子學(xué)》(Nature Photonics)上，論文作者包括MIT博士后沈亦晨，研究生Nicholas Harris, Marin Solja?i?和Dirk Englund教授以及另外8個(gè)合作研究者。

　　圖丨可編程納米光子處理器概念圖

　　事實(shí)上，很多研究者長(cháng)期以來(lái)都在推廣基于光子的計算機。但Solja?i?表示，“他們太過(guò)于樂(lè )觀(guān)，結果往往事與愿違”。盡管很多基于光子計算機的應用都是不切實(shí)際的，但基于光子的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )系統“可能對于某些應用的深度學(xué)習算法是可行的”，他說(shuō)道。

　　Solja?i?的言論并非毫無(wú)道理。眾所周知，在人工智能算法中，包含有多次矩陣相乘的運算，基于傳統計算機架構的CPU和GPU在處理這些運算的時(shí)候非常吃力，計算效率較低。針對這一問(wèn)題，Solja?i?和他的研究團隊經(jīng)過(guò)多年的研究提出了這種基于光學(xué)的計算方法。“這種光學(xué)芯片的優(yōu)點(diǎn)在于一但被設置好，那么它開(kāi)展矩陣乘法運算所消耗的能量，理論上說(shuō)可以為0。”Solja?i?說(shuō)，“雖然目前我們還沒(méi)研制出整個(gè)系統，但已經(jīng)實(shí)現了核心部件的驗證”　　

　　圖丨Marin Soljai

　　Solja?i?打比方說(shuō)，即使是一個(gè)最普通的眼鏡鏡片也會(huì )對穿過(guò)它的光波有一個(gè)復雜的運算：傅立葉變換。新的光子芯片所執行的運算雖然比傅立葉變換簡(jiǎn)單的多，但基本原理類(lèi)似。這種芯片使用多光束干涉技術(shù)，其干涉條紋信息反映了所需計算的結果。研究者稱(chēng)這種芯片為可編程納米光子處理器。

　　沈亦晨表示，實(shí)驗結果顯示這種光子芯片架構理論上可以以更快的速度、更小的功耗來(lái)運行人工智能算法：進(jìn)行相同的一次運算所需的能量損耗甚至低于傳統芯片的千分之一。“利用光子來(lái)做矩陣乘法運算的內秉屬性是功耗降低和速度提升的主要原因，因為密集的矩陣乘法運算是人工智能算法中最耗時(shí)間和功率的。”

　　圖丨沈亦晨

　　這種納米光子處理器由Englund實(shí)驗室的Harris等人研發(fā)。它基于一系列相互連接的光波導對光子進(jìn)行導引，這些光波導的連接可根據需要進(jìn)行設定和編程，以實(shí)現特定的運算目的。“你可以編程實(shí)現任一矩陣操作” Harris說(shuō)。團隊的終極計劃是利用多層交錯的裝置實(shí)現非線(xiàn)性激活函數操作，就像大腦中神經(jīng)元的作用一樣。

　　為了驗證這一概念，團隊利用這個(gè)可編程納米光子處理器去實(shí)現辨識四個(gè)基本元音的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )算法。結果發(fā)現，盡管僅僅使用了一個(gè)初級的系統，他們也獲得了77%的準確率，而傳統系統的準確率為90%。Solja?i?表示，擴展系統以獲得更高的準確度“不存在障礙”。

　　Englund補充道，這個(gè)可編程納米光字處理器也可有其他方面的用途，如數據傳輸過(guò)程中的信號處理。“高速模擬信號處理是此類(lèi)處理器可以完成的”，而且要快于那些基于模擬——數字轉換的方法，因為光本身就是一種模擬的介質(zhì)。“這種方法可以直接在模擬域進(jìn)行運算”他說(shuō)到。

　　與此同時(shí)，團隊也表示還需要大量的時(shí)間和努力來(lái)使得這個(gè)系統可以實(shí)際應用。而且，一旦這種系統擴展成功并且完全的發(fā)揮其作用，它可以有非常多的應用，比如數據中心或安全系統。這個(gè)系統還可以用于無(wú)人駕駛汽車(chē)或無(wú)人機，Harris表示，“在任何你需要進(jìn)行大量運算但卻受到時(shí)間和功率限制的情況下，它都可以派上用場(chǎng)。”