フォトニック・プロセッサーにより、極めて高いエネルギー効率で超高速AI計算が可能になる可能性(Photonic processor could enable ultrafast AI computations with extreme energy efficiency)

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2024-12-02 マサチューセッツ工科大学(MIT)

マサチューセッツ工科大学(MIT)の研究者らは、光を用いてディープニューラルネットワークの主要な計算をチップ上で実行するフォトニックプロセッサを開発しました。このデバイスは、機械学習の分類タスクを0.5ナノ秒以内に完了し、92%以上の精度を達成しています。従来の電子チップと同等の性能を持ちながら、光を使用することで高速かつエネルギー効率の高い計算が可能となります。この技術は、ライダー、天文学、粒子物理学、高速通信など、計算負荷の高いアプリケーションにおいて、リアルタイムでのデータ処理を実現する可能性があります。さらに、商業的な製造プロセスでの量産が可能であり、既存の電子機器への統合も期待されています。

<関連情報>

順方向のみの学習を行うシングルチップのフォトニック・ディープ・ニューラル・ネットワーク Single-chip photonic deep neural network with forward-only training

Saumil Bandyopadhyay,Alexander Sludds,Stefan Krastanov,Ryan Hamerly,Nicholas Harris,Darius Bunandar,Matthew Streshinsky,Michael Hochberg & Dirk Englund
Nature Photonics  Published:02 December 2024
DOI:https://doi.org/10.1038/s41566-024-01567-z

フォトニック・プロセッサーにより、極めて高いエネルギー効率で超高速AI計算が可能になる可能性(Photonic processor could enable ultrafast AI computations with extreme energy efficiency)

Abstract

As deep neural networks revolutionize machine learning, energy consumption and throughput are emerging as fundamental limitations of complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) electronics. This has motivated a search for new hardware architectures optimized for artificial intelligence, such as electronic systolic arrays, memristor crossbar arrays and optical accelerators. Optical systems can perform linear matrix operations at an exceptionally high rate and efficiency, motivating recent demonstrations of low-latency matrix accelerators and optoelectronic image classifiers. However, demonstrating coherent, ultralow-latency optical processing of deep neural networks has remained an outstanding challenge. Here we realize such a system in a scalable photonic integrated circuit that monolithically integrates multiple coherent optical processor units for matrix algebra and nonlinear activation functions into a single chip. We experimentally demonstrate this fully integrated coherent optical neural network architecture for a deep neural network with six neurons and three layers that optically computes both linear and nonlinear functions with a latency of 410 ps, unlocking new applications that require ultrafast, direct processing of optical signals. We implement backpropagation-free in situ training on this system, achieving 92.5% accuracy on a six-class vowel classification task, which is comparable to the accuracy obtained on a digital computer. This work lends experimental evidence to theoretical proposals for in situ training, enabling orders of magnitude improvements in the throughput of training data. Moreover, the fully integrated coherent optical neural network opens the path to inference at nanosecond latency and femtojoule per operation energy efficiency.

0403電子応用
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