光の速さの機械学習 (Machine Learning at the Speed of Light)

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2021/1/6 アメリカ合衆国・ピッツバーグ大学

・ ピッツバーグ大学、独・ミュンスター大学、英国・オックスフォード大学、エクスター大学、スイス・ロー
ザンヌ工科大学(EPFL)および IBM チューリッヒ研究所から構成される国際研究チームが、人工知能(AI)アプリケーションにおけるフォトニック・プロセッサの利用可能性を調査し、グラフィックカードや TPU等の従来の電子チップではなし得ない高速並列情報処理を初めて実証。
・ デジタル時代の進展に伴い、データ通信量は指数関数的に増大している。AI や機械学習(ML)をさらに拡張するには、大量のデータをより高速・効率的に処理するコンピューターの能力が不可欠。
・ 光をベースとしたフォトニック・プロセッサは、計算毎に異なる光の波長を利用することで、複数の複雑な計算の同時実行を可能にする。今回対処した課題は、光を利用したコンピュテーションをスケーラブルかつ効率的に行うこと。畳み込みニューラルネットワークによる手書きの数字の認識の実験を実施し、これまでにないデータ速度と高密度コンピューティングを達成した。
・ DVD や BlueRay で使用されるデータ記憶材料の相変化材料(PCMs)とフォトニック構造を組合せ、エネルギーの供給無くデータを不揮発に記憶。また、光メモリーセルにチップベースの周波数コム(光源として利用)を初めて組み合わせ、16 種類の波長での同時計算を実行した。人工ニューラルネットワークでの周波数コムの採用は初めてとなる。
・ フォトニック・プロセッサによる高速・効率的なコンピューティングは、大量のインプットから得られるデータの高速処理を必要とする自動運転車のようなアプリケーションに最適。また、クラウドコンピューティングや医療画像処理等のアプリケーションにも役立つ。
・ 本研究には、EU の「FunComp」プロジェクトおよび欧州研究会議(ERC グラント「PINQS」)が資金を提供した。
URL: https://www.engineering.pitt.edu/News/2021/Youngblood-Nature-Photonic-Processors/

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Nature 掲載論文(アブストラクトのみ:全文は有料)
Parallel convolutional processing using an integrated photonic tensor core
URL: https://www.nature.com/articles/s41586-020-03070-1

(関連情報)

ドイツ・ミュンスター大学発表記事
Light-carrying chips advance machine learning
URL: https://www.uni-muenster.de/news/view.php?cmdid=11463

Abstract

With the proliferation of ultrahigh-speed mobile networks and internet-connected devices, along with the rise of artificial intelligence (AI)1, the world is generating exponentially increasing amounts of data that need to be processed in a fast and efficient way. Highly parallelized, fast and scalable hardware is therefore becoming progressively more important2. Here we demonstrate a computationally specific integrated photonic hardware accelerator (tensor core) that is capable of operating at speeds of trillions of multiply-accumulate operations per second (1012 MAC operations per second or tera-MACs per second). The tensor core can be considered as the optical analogue of an application-specific integrated circuit (ASIC). It achieves parallelized photonic in-memory computing using phase-change-material memory arrays and photonic chip-based optical frequency combs (soliton microcombs3). The computation is reduced to measuring the optical transmission of reconfigurable and non-resonant passive components and can operate at a bandwidth exceeding 14 gigahertz, limited only by the speed of the modulators and photodetectors. Given recent advances in hybrid integration of soliton microcombs at microwave line rates3,4,5, ultralow-loss silicon nitride waveguides6,7, and high-speed on-chip detectors and modulators, our approach provides a path towards full complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) wafer-scale integration of the photonic tensor core. Although we focus on convolutional processing, more generally our results indicate the potential of integrated photonics for parallel, fast, and efficient computational hardware in data-heavy AI applications such as autonomous driving, live video processing, and next-generation cloud computing services.

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