Цифрові двійники виводять оптичні обчислення з черги до фізичних лабораторій

Стрімкий розвиток штучного інтелекту та глибокого навчання виявив серйозні обмеження традиційної кремнієвої електроніки під час обробки гігантських масивів даних. На цьому тлі оптичні обчислення, що використовують фізичні властивості світла (інтерференцію та дифракцію), вважаються одним із найперспективніших напрямків комп'ютерної індустрії завдяки колосальній швидкості, енергоефективності та паралелізму.

Проте досі оптичні обчислювальні системи (OCS) мали серйозне «вузьке місце»: розробка будь-якого AI-завдання була жорстко прив'язана до фізичного заліза. Коли над одним оптичним комп'ютером працювали кілька команд, їм доводилося буквально вибудовуватися в чергу. Кожен дослідник мав спочатку монополізувати пристрій, завантажити параметри, провести тривале онлайн-калібрування та усунення похибок, і лише потім запускати обчислення. Наступний користувач був змушений перебудовувати всю систему заново. Цей нескінченний цикл багаторазового налаштування конвеєра різко гальмував дослідження.

Рішення було опубліковане в науковому журналі Opto-Electronic Advances. Міжнародна група вчених представила фреймворк цифрових двійників для оптичних комп'ютерів - Digital Twin OCS (DT-OCS).

Технологія DT-OCS передбачає створення віртуального цифрового двійника, який з ідеальною точністю відтворює реакції «вхід-вихід» реального оптичного заліза за будь-яких конфігурацій. Якщо фізичний оптичний комп'ютер - це дороге і постійно зайняте обладнання, то DT-OCS - це його високоточний програмний симулятор.

Тепер дослідникам не потрібно займати пристрій для тестування та помилок: вони можуть проводити тренування AI-моделей, оптимізацію параметрів та верифікацію архітектури повністю в офлайн-режимі у цифровому середовищі. На реальне залізо відправляється вже готовий, оптимізований результат. Це повністю усуває залежність розробників від доступу до лабораторії та дозволяє паралельно створювати десятки різних AI-додатків на базі однієї оптичної платформи.

Вчені перевірили працездатність концепту DT-OCS на базі реального високошвидкісного оптичного комп'ютера, побудованого на базі кремній-фотонічного тензорного чипа (silicon photonic feature-computing chip).

Цифрового двійника протестували на класичних завданнях: розпізнаванні зображень (датасет Fashion-MNIST) та послідовному прийнятті рішень (навчання з підкріпленням).

Параметри конфігурації були розраховані цифровим двійником в офлайні, й після завантаження у фізичний фотонний чип все запрацювало миттєво без додаткового підлаштування.

Продуктивність та точність обчислень реального заліза повністю збіглися з прогнозами комп'ютерної моделі, що доводить абсолютну точність перенесення даних.

Завдяки перенесенню етапу навчання в цифрову площину, загальний цикл розробки та тестування AI-завдань скоротився в рази.

Важливість цієї роботи виходить за межі створення вдалої моделі. Автори фактично запропонували новий стандарт для комп'ютерної індустрії майбутнього. Одночасно з публікацією статті вчені відкрили вихідний код фреймворку DT-OCS та супутні набори даних для світової наукової спільноти.

Це перетворює оптичні обчислення з ізольованих, штучних експериментальних установок на загальнодоступний, масштабований і відтворюваний програмний ресурс. Дослідники з усього світу тепер можуть проєктувати та тестувати алгоритми для оптичних комп'ютерів, навіть не маючи самого оптичного заліза на столі.

«Як сучасна транспортна логістика немислима без постійно оновлюваних цифрових карт, так і перспективні оптичні обчислювальні системи відтепер мають існувати у подвійній формі: "апаратна платформа + модель цифрового двійника". Тільки так оптичні комп'ютери зможуть еволюціонувати зі специфічних лабораторних пристроїв у повноцінний, загальнодоступний і шеринговий обчислювальний ресурс нового покоління», - зазначають автори дослідження.