Нейросеть на оптической основе оказалась в 100 раз энергоэффективнее обычной


Оптоволоконные кабели / © pexels.com / Автор: Александр Литвинов

Современные генеративные модели искусственного интеллекта используют сотни миллиардов параметров для решения все более сложных задач. Обучение нейросетей таких масштабов требует огромных вычислительных мощностей, которые могут быть предоставлены только центрами обработки данных величиной с ангар, потребляющими энергию, эквивалентную потребностям в электричестве среднего по размеру города. Например, на обучение языковой модели GPT-3, которая имеет 175 миллиардов параметров, было потрачено 1,3 гигаватт-часа электроэнергии, что достаточно для полной зарядки 13 тысяч автомобилей Tesla Model S.

Для устойчивого развития искусственного интеллекта в его нынешнем темпе возникает необходимость переосмыслить как сами алгоритмы машинного обучения, так и требующееся для них вычислительное оборудование. Одним из решений может стать оптическая аппаратная реализация архитектуры нейронных сетей, то есть переход от опоры на чисто транзисторные вычислительные мощности к системам на оптоволоконной основе. В новом исследовании, опубликованном в журнале Advanced Photonics, группа ученых разработала такую нейросеть. 

Предложенная архитектура сочетает в себе оптическую составляющую с небольшим количеством программируемых в цифровом виде параметров. С помощью метода, известного как формирование волнового фронта, исследователи управляли ультракороткими импульсами в многомодовых волокнах — это волокна с большим диаметром сердцевины, проводящие лучи света благодаря эффекту полного внутреннего отражения. Такие оптические волокна поддерживают несколько поперечных мод для заданной оптической частоты и поляризации. С их помощью ученые осуществляли нелинейно-оптические вычисления со средней оптической мощностью, измеряемой всего в микроваттах. 

Схема архитектуры оптической нейросети. Пространственный модулятор света преобразует ультракороткие лазерные импульсы с помощью программируемой выборки данных. Луч идет по многомодовым волокнам, шаблон распространения записывается камерой. Обучаемый классификатор выходных данных вычисляет точность задачи, которая передается обратно в алгоритм суррогатной оптимизации. Этот алгоритм затем повышает производительность задачи за счет изучения различных программируемых параметров и уточнения потенциальных решений. / © Ilker Oguz et. al.

В результате производительность для задачи классификации изображений была сопоставима с цифровыми системами на транзисторной основе, имеющими в 100 с лишним раз большее количество параметров при одинаковом уровне точности. Ученые уменьшили количество параметров модели на 97 процентов, что привело к общему сокращению цифровых операций на 99 процентов по сравнению с аналогичной цифровой многослойной нейронной сетью, основанной на чисто транзисторной аппаратной части. Например, система приблизительно с двумя тысячами параметров работала так же хорошо, как типичная цифровая нейронная сеть более чем с 400 тысячами параметров.

Отдельно авторы рассмотрели вопрос скорости вычислений их нейросети, которая определяет итоговую скорость получения выводов от модели. Для их варианта сети она невысока и ограничена частотой обновления жидкокристаллического пространственного модулятора света. Это ограничение можно преодолеть, перейдя на более быстрый метод формирования волнового фронта: например, если использовать коммерческие цифровые микрозеркальные устройства и квадрантные фотодиоды — это фотодиоды, которые состоят из четырех оптически активных зон (излучающие диоды), разделенные между собой небольшим промежутком (их обычно используют для определения положения лазерных лучей друг относительно друга).

Реализуя ту же архитектуру оптических вычислений с набором коммерчески доступного высокоскоростного оборудования, можно было бы достичь производительности 25 терафлопс при общем энергопотреблении 12,6 ватта, что значительно ниже, чем потребление в 300 ватт классическим транзисторным графическим процессором с сопоставимой производительностью.

Обращает на себя внимание огромный разрыв в возможностях нейросетей на оптической элементной базе и на классической транзисторной. Если его удастся перенести в серийные коммерческие решения, то именно первые, по всей видимости, станут будущим в развитии больших языковых моделей, подобных GPT-4.


Source: https://lib.zaplata.ru/stepanich/neiroset-na-opticheskoi-osnove-okazalas-v-100-raz-energoeffektivnee-obychnoi.html

Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии
guest

Лазерный тандем объединит кильватерные ускорители электронов в коллайдер

Художественная интерпретация лазерного кильватерного ускорения и его схема. Оранжевым показан лазерный импульс, красным – ускоряемые электроны, а высота...

Китайские инженеры научились добывать водородное топливо из морской воды

©Nanjing Tech University / Автор: Caristania Fabricius Водород считается одним из самых перспективных видов топлива будущего. Его сжигание...

Большой адронный коллайдер «подсказал», где искать частицы темной материи

Визуализация продуктов столкновения двух пучков протонов в Большом адронном коллайдере. Идея искать следы частиц темной материи в данных,...

Редкий распад бозона Хиггса может закрыть поиски новой физики

Данные коллабораций ATLAS и CMS позволили зафиксировать необычный путь распада бозона Хиггса, с образованием фотона и Z-бозона, который...

Скорость вращения Земли, причины ее изменения и что нам об этом известно

Анимация из кадров, сделанных аппаратом «Электро-Л №2» (GOMS-3) / ©«Роскосмос», Научный Центр оперативного мониторинга Земли (НЦ ОМЗ) /...

Почему во Вселенной нет антивещества? Ответ может дать космологический коллайдер

Карта температур реликтового излучения, синий и красный цвета отражают разницу температуры в 18 миллионных долей градуса. Для объяснения...

Новый материал позволит физикам ловить гравитационные волны ежедневно

Стекло с нанесенным покрытием из оксидов титана и германия / © Caltech / Автор: Иван Беляев С момента...

Китайские физики добились несомненного квантового превосходства

Juizhang вблизи. / © Chao-Yang Lu/University of Science and Technology of China / Автор: Анастасия Кожевникова Квантовым превосходством...

Глубокое обучение с подкреплением вводит квантовую систему в «состояние кота Шредингера»

Кот Шредингера, находящийся одновременно в двух квантовых состояниях, в представлении художника. / © Okinawa Institute of Science and...

Лазер помог направить движение молний

©TRUMPF / Автор: Иван Беляев Уже несколько столетий для защиты от молний используют громоотводы. Такие длинные металлические стержни...

Объединяй и властвуй — как создать из квантовых компьютеров квантовый интернет

©Pixabay / Автор: Sycophanta Duccius (Окончание. Начало см. тут: 1, 2, 3). Это началось очень, очень давно. В 9 вечера...

Физики решили парадокс Леонардо, описавшего странное движение пузырьков

©Elīna Baltiņa, Flickr / Автор: Ирина Мельникова Художник, инженер и скульптор Леонардо да Винчи стал одной из самых...

Физики предложили построить коллайдер на Луне

Симуляция распада бозона Хиггса на мюоны / ©CERN Photolab / Автор: Regulus Tremerus Ученые оценили перспективы строительства гигантского...

Парадокс чайного листа Эйнштейна привел к самопроизвольному формированию ценного материала

© Flickr / Автор: Ptolemocratia Acerronius В 1926 году Альберт Эйнштейн представил доклад для Прусской академии наук, который...

Проведено прямое измерение массы нейтрино с беспрецедентной точностью

Внутри большого электростатического спектрометра Тритиевого нейтринного эксперимента в Карлсруэ (KATRIN) / ©Michael Zacher/KIT / Автор: Ирина Мельникова Нейтрино...

Физики научились плести нити из нанотрубок

©Jeff Fitlow, Rice University / Автор: Visellia Orfius Углеродные нанотрубки представляют собой полые сверхтонкие структуры со стенками толщиной...

Китайский термоядерный реактор установил новый рекорд непрерывной работы плазмы при высокой температуре

EAST / ©XinHua / Автор: Euclio Drusus Китайские ученые установили новый рекорд работы термоядерного реактора EAST. Во время...

Физики создали квантовую нейросеть, способную к обучению

© Los Alamos National Laboratory / Автор: Pinaria Caprarius Квантовые нейронные сети вызывают ажиотаж вокруг возможности эффективного анализа...

Новая модель распространения эпидемии учла совместное пребывание группы людей в одном месте

За каждый промежуток времени индивидуум проводит разное время τ в каждой локации. Вероятность заражения θ в определенном месте...

Американские физики на доли секунды создали «горящую» плазму, необходимую для термоядерного синтеза

Иллюстрация эксперимента: лучи лазера проникают в хольраум с обоих концов и нагревают мишень. / © Lawrence Livermore National...