O futuro do hardware de IA: cientistas revelam chip fotoeletrônico totalmente analógico

Pesquisadores da Universidade de Tsinghua, na China, desenvolveram um chip fotoeletrônico totalmente analógico que combina computação óptica e eletrônica para obter processamento de visão computacional ultrarrápido e altamente eficiente em termos energéticos, superando os processadores digitais.

A visão computacional é um campo de inteligência artificial em constante evolução, focado em permitir que as máquinas interpretem e compreendam informações visuais do mundo, semelhante à forma como os humanos percebem e processam imagens e vídeos.

Envolve tarefas como reconhecimento de imagem, detecção de objetos e compreensão de cena. Isso é feito convertendo sinais analógicos do ambiente em sinais digitais para processamento por redes neurais, permitindo que as máquinas compreendam as informações visuais. No entanto, esta conversão analógico-digital consome tempo e energia significativos, limitando a velocidade e a eficiência das implementações práticas de redes neurais.

O chip fotoeletrônico totalmente analógico proposto, conforme detalhado na pesquisa, aborda essa limitação combinando computação fotônica e eletrônica em um único chip, oferecendo uma solução inovadora para processamento de dados visuais de alta velocidade e com baixo consumo de energia. As descobertas do estudar são publicados em Naturezajuntamente com um Research Briefing resumindo o trabalho.

Jiamin Wu, um dos autores do estudo, explicou ao Phys.org por que eles se concentraram no lado do hardware, dizendo: “Nossa equipe, motivada por aumentar o impacto no mundo real dos avanços da IA, há muito se dedica para desenvolver soluções de hardware eficientes para execução de IA.”

O melhor dos dois mundos

A combinação de módulos de computação analógicos ópticos e eletrônicos no estudo é um aspecto fundamental, pois permite aos pesquisadores aproveitar os benefícios da luz (na forma de fótons) e dos elétrons de uma maneira totalmente analógica.

Ao fazer isso, os pesquisadores abordaram as limitações práticas da computação fotônica (baseada em luz), como a complicada implementação da não linearidade óptica, o consumo considerável de energia dos ADCs e a vulnerabilidade a ruídos e erros do sistema.

“Um módulo de computação óptica que implementa uma rede neural difrativa é usado pela primeira vez para extrair informações e reduzir a dimensionalidade dos dados de uma forma altamente paralela”, explicou o Dr. Este processo é altamente eficiente e permite extrair informações de campos de luz de alta resolução.

“A saída do módulo de computação óptica é então recebida por um conjunto de fotodiodos para gerar fotocorrentes induzidas pela luz. Estas são usadas diretamente para cálculos adicionais no domínio analógico eletrônico”, continuou ele. Esta conversão perfeita permite a criação de estruturas de rede complexas, melhorando o desempenho geral das tarefas.

O módulo analisa ainda as correntes elétricas geradas pela luz. Notavelmente, não requer a conversão de sinais analógicos em digitais. Esta flexibilidade nos circuitos eletrônicos permite métodos de treinamento adaptáveis ​​e reconfiguráveis, que são essenciais para melhorias de desempenho no mundo real.

Os pesquisadores conseguiram projetar com sucesso um processador fotoeletrônico integrado chamado “chip totalmente analógico que combina computação eletrônica e leve”, ou ACCEL.

“Ao utilizar a não-linearidade intrínseca do efeito fotoelétrico e do processamento de dados no campo eletrônico analógico sem conversão analógico-digital, o chip fotoeletrônico totalmente analógico proposto alcança eficiência energética e velocidade de computação que são várias ordens de magnitude superiores às do estado- processador digital de última geração”, disse o Dr. Wu.

Colocando à prova

Os pesquisadores realizaram uma série de testes para testar a precisão da classificação do ACCEL em várias tarefas, incluindo reconhecimento de números manuscritos, distinção de itens de vestuário e interpretação de escrita cursiva.

Ele exibiu a capacidade de classificar imagens de alta resolução em 72 nanossegundos, um feito que desafia os limites do processamento convencional. Surpreendentemente, o ACCEL consome 4 milhões de vezes menos energia do que uma GPU topo de linha, embora seja 3.000 vezes mais rápido.

Mas o chip ACCEL não para por aí. Sua adaptabilidade se estende a fontes de luz incoerentes, tornando-se uma solução versátil com aplicações além do esperado.

“Em comparação com GPUs de alto desempenho, nosso chip fotoeletrônico totalmente analógico é três ordens de magnitude mais rápido e seis ordens de magnitude mais eficiente em termos de energia. Isso o torna adequado para processamento de alta velocidade em aplicações como linhas de montagem industriais e direção autônoma.”

“Além disso, graças à sua excepcional eficiência computacional e demandas mínimas de energia, nosso chip poderá trazer uma nova era para sistemas portáteis, como dispositivos vestíveis para monitoramento de saúde, onde o sistema é tradicionalmente alimentado por uma bateria e a vida útil do dispositivo tem foi severamente restringido devido à fonte de energia limitada”, disse o Dr. Wu.

Trabalho futuro

Os pesquisadores reconhecem que, embora a fotoeletrônica totalmente analógica tenha demonstrado alta potência e eficiência, ainda há espaço para melhorias.

“Embora o ACCEL tenha alcançado velocidade de computação rápida e alta eficiência energética, ainda há espaço para melhorar a capacidade de processamento deste chip”, explicou o Dr. Wu.

No futuro, os pesquisadores esperam explorar arquiteturas mais eficientes com computação fotoeletrônica para lidar com tarefas de visão computacional mais extensas e estender esta tecnologia a novos algoritmos de inteligência artificial, como modelos de linguagem grande (LLMs).

Esta pesquisa em andamento visa ampliar os limites da tecnologia fotônica analógica para avanços futuros.

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