Einführung von Diffraktionsguss, optisch-basiertem Parallelrechnen

Immer komplexere Anwendungen wie künstliche Intelligenz erfordern immer leistungsfähigere und stromhungrigere Computer. Optische Datenverarbeitung ist eine vorgeschlagene Lösung zur Steigerung der Geschwindigkeit und Energieeffizienz, die jedoch aufgrund von Einschränkungen und Nachteilen noch nicht umgesetzt wurde.

Eine neue Designarchitektur namens Diffraktionsguss versucht, diese Mängel zu beheben. Es werden einige Konzepte in den Bereich des optischen Rechnens eingeführt, die ihn für die Implementierung in Computergeräten der nächsten Generation attraktiver machen könnten.

Ob das Smartphone in der Hosentasche oder der Laptop auf dem Schreibtisch: Alle aktuellen Computergeräte basieren auf elektronischer Technologie. Dies hat jedoch einige inhärente Nachteile; Insbesondere erzeugen sie zwangsläufig viel Wärme, insbesondere wenn ihre Leistung zunimmt, ganz zu schweigen davon, dass die Fertigungstechnologien an die grundlegenden Grenzen des theoretisch Möglichen stoßen.

Daher erforschen Forscher alternative Methoden zur Durchführung von Berechnungen, die diese Probleme lösen und im Idealfall auch einige neue Funktionen oder Merkmale bieten können.

Eine Möglichkeit liegt in einer Idee, die es schon seit mehreren Jahrzehnten gibt, die sich aber noch nicht durchsetzen und kommerziell umsetzbar machen konnte, und zwar im Bereich der optischen Datenverarbeitung.

Im Wesentlichen nutzt optisches Rechnen die Geschwindigkeit von Lichtwellen und ihre Fähigkeit, auf komplexe Weise mit verschiedenen optischen Materialien zu interagieren, ohne dabei Wärme zu erzeugen. Wenn man dazu noch die Tatsache hinzufügt, dass ein breites Spektrum an Lichtwellen gleichzeitig Materialien durchdringen kann, ohne sich gegenseitig zu beeinflussen, kann man theoretisch einen hochparallelen, schnellen und energieeffizienten Computer herstellen.

„In den 1980er Jahren erforschten Forscher in Japan eine optische Rechenmethode namens Schattenwurf, mit der einige einfache logische Operationen durchgeführt werden konnten. Ihre Implementierung basierte jedoch auf relativ sperrigen geometrischen optischen Formen, möglicherweise analog zu den Vakuumröhren, die in frühen digitalen Computern verwendet wurden. Sie funktionierten im Prinzip, aber es mangelte ihnen an Flexibilität und einfacher Integration, um etwas Nützliches zu schaffen“, sagte außerordentlicher Professor Ryoichi Horisaki vom Information Photonics Lab der Universität Tokio.

„Wir führen ein optisches Rechenschema namens Beugungswurf ein, das den Schattenwurf verbessert. Der Schattenwurf basiert auf der Wechselwirkung von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Geometrien, während der Beugungswurf auf den Eigenschaften der Lichtwelle selbst basiert, was zu einer räumlich effizienteren und funktionelleren Flexibilität führt.“ optische Elemente, die auf eine Weise erweiterbar sind, die Sie von einem universellen Computer erwarten und benötigen.

„Wir führten numerische Simulationen durch, die zu sehr positiven Ergebnissen führten, wobei wir kleine Schwarzweißbilder mit 16 x 16 Pixeln als Eingaben verwendeten, die kleiner als Symbole auf einem Smartphone-Bildschirm waren.“

Horisaki und sein Team schlagen ein rein optisches System vor, das also nur die Endausgabe in etwas Elektronisches und Digitales umwandelt; Vor dieser Stufe ist jeder Schritt des Systems optisch. Ihre Arbeit wurde veröffentlicht in Fortgeschrittene Photonik.

Ihre Idee besteht darin, ein Bild als Datenquelle zu verwenden – was natürlich darauf hindeutet, dass dieses System für die Bildverarbeitung verwendet werden könnte, aber auch andere Arten von Daten, insbesondere solche, die in maschinellen Lernsystemen verwendet werden, könnten grafisch dargestellt werden – und dieses Quellbild zu kombinieren mit einer Reihe weiterer Bilder, die Phasen logischer Operationen darstellen.

Stellen Sie es sich wie Ebenen in einer Bildbearbeitungsanwendung wie Adobe Photoshop vor: Es gibt eine Eingabeebene – das Quellbild –, auf der Ebenen platziert sein können, die etwas von der darunter liegenden Ebene verdecken, manipulieren oder übertragen. Die Ausgabe – die oberste Ebene – wird im Wesentlichen durch die Kombination dieser Ebenen verarbeitet.

In diesem Fall werden diese Schichten von Licht durchstrahlt und erzeugen ein Bild (daher der „Abguss“ beim Beugungsguss) auf einem Sensor, das dann in digitale Daten zur Speicherung oder Präsentation für den Benutzer umgewandelt wird.

„Beugungsguss ist nur ein Baustein in einem hypothetischen Computer, der auf diesem Prinzip basiert, und es ist möglicherweise am besten, ihn als zusätzliche Komponente und nicht als vollständigen Ersatz bestehender Systeme zu betrachten, ähnlich wie grafische Verarbeitungseinheiten spezialisierte Komponenten für Grafiken sind.“ „, Gaming und maschinelles Lernen“, sagte Hauptautor Ryosuke Mashiko.

„Ich gehe davon aus, dass es etwa zehn Jahre dauern wird, bis es kommerziell verfügbar ist, da noch viel Arbeit an der physischen Umsetzung zu leisten ist, die zwar auf realer Arbeit basiert, aber noch erstellt werden muss.“

„Derzeit können wir die Nützlichkeit des Beugungsgusses bei der Durchführung der 16 grundlegenden logischen Operationen im Herzen vieler Informationsverarbeitungsprozesse demonstrieren, aber es gibt auch Spielraum für die Ausweitung unseres Systems auf einen anderen aufstrebenden Bereich der Informatik, der über das Traditionelle hinausgeht, und das ist in.“ Quantencomputing. Die Zeit wird es zeigen.