Lys-basert KI-brikke kutter varme og strøm

En av de største utfordringene ved bygging av datasentre for kunstig intelligens (KI) i dag, er energiforbruket. Brikkene som utfører beregninger, utvikler varme og trenger kjøling. Begge deler krever enorme energimengder.

Om beregningene kan gjøres ved hjelp av brikker basert på fotoner, altså lys, heller enn dagens silisiumteknologi, kan strømforbruket reduseres. Det er årsaken til at forskere verden over jobber for å få til akkurat det som forskerne ved Sydney Nano Hub ved University of Sydney sier de har fått til. Analyseselskapet JPR kartla i fjor 121 selskaper som utvikler KI-brikker.

Forskerne i Sydney sier de har laget en prototyp på en ultra-kompakt nanofotonisk brikke. I motsetning til mange lignende beskrivelser vi har sett, viser forskerne ved Sydney Nano Hub at den patentsøkte brikken deres kan brukes i praksis, i dette tilfellet ved å analysere røntgenbilder.

Digi Telekom har spurt forskningsleder Xiaoke Yi om hvor lenge det er før brikken deres kan dukke opp i kommersielle produkter.

– Det er fortsatt utfordringer som trenger å bli håndtert før optisk databehandling kan bli tatt i bruk i stor skala. Ett eksempel er skalering av fotoniske systemer til å fungere sammen med mye større nevrale nettverksarkitekturer. Dette er en av retningene vi jobber aktivt med nå, sier hun.

– Samtidig skjer det hurtige forbedringer i silisium-fotonikk som hjelper til med å løse disse utfordringene. Vårt arbeid viser en ny tilnærming til svært kompakte fotoniske KI-prosessorer, som kan bidra til praktiske optiske datasystemer i framtida, sier Xiaoke Yi.

Energieffektive datasentre

Forskerne sier prototypen kan spille en viktig rolle i utviklingen av mer energieffektiv KI-maskinvare, ettersom den globale etterspørselen etter kunstig intelligens fortsetter å øke. Det kan potensielt redusere det samlede energifotavtrykket til fremtidige datasystemer.

Tradisjonelle databrikker bruker elektrisitet til å behandle informasjon, noe som innebærer å flytte små, ladede partikler (elektroner) gjennom ledninger. Dette skaper varme.

Den nanofotoniske brikkeprototypen bruker lys. Lys kan bevege seg gjennom materialer uten elektrisk motstand, og genererer derfor ikke varme på samme måte som elektrisitet. Når lyset passerer gjennom nanostrukturene i brikkeprototypen, utfører disse strukturene selve beregningen automatisk.

Nanostrukturen på brikken måler et titalls mikrometer, omtrent på nivå med bredden på et menneskehår. Nanostrukturene bidrar sammen til å danne et nevralt nettverk: kunstige nevroner som etterligner menneskehjernen for å gjenkjenne mønstre og utføre beregninger.

Raskere og kaldere

Prototypen utfører beregninger på pikosekundskala, altså billiondeler av et sekund – tiden det tar for lys å passere gjennom nanostrukturen.

Forskerne sier fordelen med å bruke fotonikk (photonics) er at beregningene går langt raskere, fordi de skjer med lysets hastighet. Teknologien bruker også lys til å operere i stedet for elektrisitet.

– Vi har tenkt nytt om hvordan fotonikk kan brukes til å designe nye, energieffektive og ultraraske databrikker for prosessering, sier professor Xiaoke Yi ved School of Electrical and Computer Engineering og leder for Photonics Research Group.

– Kunstig intelligens blir i økende grad begrenset av energiforbruket. Denne forskningen utfører nevral beregning ved hjelp av lys, noe som muliggjør raskere, mer energieffektive og ultrakompakte KI-akseleratorer.

Studien, som er publisert i Nature Communications, beskriver hvordan KI-modeller kan bygges inn i fotoniske nanostrukturer som manipulerer lys for å utføre de matematiske operasjonene som kreves for maskinlæring.

MR-skanninger

For å validere teknologien trente forskerne den nanofotoniske brikken til å klassifisere mer enn 10.000 bilder, blant annet MR-skanninger av bryst, brystkasse og mage.

I simuleringer og eksperimenter oppnådde det nanofotoniske nevrale nettverket om lag 90 til 99 prosent klassifiseringsnøyaktighet.

Forskerne mener teknologien deres kan gi en vei mot en bærekraftig KI-infrastruktur som kan møte den økende etterspørselen etter datakraft uten tilsvarende økning i strømforbruket.

Fotonikk, en sammenstilling av ordene foton og elektronikk, handler om å kontrollere lyspartikler. Det har vært brukt i teknologi vi benytter i hverdagen, som lasere, fiberoptiske nettverk og medisinsk bildediagnostikk.

Bruk av fotonikk til databehandling har først blitt utforsket de siste årene, med økende hastverk i takt med veksten i etterspørselen etter KI.

Intelligens i fotonikk

Doktorgradsstudent Joel Sved, som spilte en nøkkelrolle i design og bruk av prototypen, sier prototypen viser hvordan intelligens kan bygges direkte inn i fotoniske nanostrukturer.

Dette inkluderer å bruke fotonikk til å løse utfordringer innen trådløs kommunikasjon og avansert sensorteknologi, som kan oppdage og måle kjemiske eller biologiske spor i miljøet.

Etter det de kaller en vellykket testing av den nanofotoniske brikkeprototypen, jobber professor Yis team nå med å videreutvikle teknologien mot fotoniske nevrale nettverk i større skala.