Защо ни е силиций, когато имаме светлина? Microsoft представи оптичен компютър, който е 100 пъти по-бърз от обикновените

Екип от Microsoft Research представи прототип на аналогов оптичен компютър, който използва светлина за изчисления и според изследователите е способен да работи до 100 пъти по-бързо и по-икономично от съвременните цифрови системи при определени задачи. Устройството е сглобено от налични в търговската мрежа компоненти – микросветлинни диоди, оптични лещи и сензори от камери на смартфони с цел опростяване на производството и намаляване на разходите. Компютърът функционира при стайна температура като обикновен настолен компютър.

За разлика от познатите двоични машини, аналоговият оптичен компютър (AOC) „въплъщава“ изчисленията във физически процеси.

Интензитетът на светлинния сигнал, преминаващ през сензор позволява да се извършват основни операции по събиране и умножение, на които се основават алгоритмите за оптимизация. Това са задачите, които са в основата на множество процеси в областта на финансите, логистиката и здравеопазването. В публикувания документ изследователите показват два сценария на приложение: ускорено възстановяване на изображения от ядрено-магнитен резонанс и оптимизиране на взаимните разплащания във финансовата индустрия.

За медицината екипът е разработил алгоритъм, който намалява количеството данни, необходими за създаването на висококачествено изображение от ЯМР. Дигиталният „близнак“ на AOC е успял да създаде изображения с добро качество, а изчисленията показват, че в дългосрочен план времето за стандартно сканиране може да бъде намалено от 30 на около 5 минути. Това все още са резултати от изследвания: технологията не е готова за клинична употреба, но показва потенциал и възможност за мащабиране.

Финансовият казус е осъществен в сътрудничество с Barclays. Изследователите са моделирали проблем с доставка срещу плащане – намиране на най-ефективния начин за уреждане на плащанията между множество участници при дадени ограничения и регулаторни изисквания. Тестваната конфигурация включваше до 1800 контрагенти и 28 000 транзакции. Експериментите върху хардуерен прототип и изчисленията върху цифров близнак показаха, че подходът е мащабируем за реални пулове за сетълмент и може да бъде от практическа полза при по-нататъшното увеличаване на капацитета на АОС.

Настоящата версия на устройството работи с 256 „тежести“ (параметри); предишното поколение беше ограничено до 64.

Увеличаването на броя на микросветлинните диоди и миниатюризацията на компонентите теоретично позволяват броят на параметрите да достигне милиони и повече. В същото време самите разработчици подчертават, че AOC не претендира да бъде универсален компютър: това е специализирана система, която би трябвало да бъде особено ефективна при оптимизационни задачи и определени видове натоварвания, свързани с изкуствения интелект.

Отделен резултат е приложението на AOC към задачите на изкуствения интелект. Изследователите са сравнили архитектурата на прототипа с алгоритми, които позволяват прости операции за машинно обучение и посочват перспективата за работа с AI модели от по-високо ниво. Чрез итеративно „търсене на фиксирана точка“, тази хардуерна схема е потенциално по-подходяща за енергоемки операции, свързани с проследяване на състоянието, при които традиционните графични процесори губят много ресурси. Според изчисленията на екипа е налице потенциално повишаване на енергийната ефективност около 100 пъти.

За да се ускори развитието на екосистемата, Microsoft открито публикува пакет за оптимизационни задачи и цифров близнак на AOC – софтуерен модел, който точно имитира поведението на хардуера. Това позволява на външни изследователи да поставят нови предизвикателства, да тестват начини за съпоставянето им с оптичния хардуер и да оценяват мащабирането до реални размери. Намерението на авторите е версиите на хардуера да се актуализират на всеки две години, тъй като броят на параметрите нараства и технологията съзрява.

Работата е описана в списание Nature. Microsoft счита, че постигнатото е важен етап: то показва реални области на приложение, в които аналоговата оптика може да донесе практически ползи, а сглобяването от налични компоненти и работата в нормални работни условия опростява пътя към промишленото внедряване. Изследователите подчертават, че предстои много инженерна работа – от по-нататъшно увеличаване на мащаба до валидиране на резултатите за по-широк клас приложения.