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【中國智能制造網(wǎng) 智造快訊】雖然有著諸多阻礙，現(xiàn)在光學(xué)計算機似乎正重新整裝待發(fā)，研究者們在測試一種新型光學(xué)計算機芯片，為人工智能設(shè)備鋪就了新的道路。
早在半個世紀前，就已經(jīng)出現(xiàn)了用光取代電子建造計算機的想法。“光計算”與傳統(tǒng)電子計算機相比，運行更快，能耗更低。然而，盡管科學(xué)家殫精竭慮，研制比現(xiàn)今計算機的光學(xué)元件，生產(chǎn)切實可行的光學(xué)計算機前景依舊暗淡。雖然有著諸多阻礙，現(xiàn)在光學(xué)計算機似乎正重新整裝待發(fā)，研究者們在測試一種新型光學(xué)計算機芯片，為人工智能設(shè)備鋪就了新的道路。該類智能設(shè)備有著與自動駕駛汽車等同的智能程度，同時又很精小，能放進口袋。
傳統(tǒng)計算機的工作依靠電子電路交替運行，開關(guān)嚴格與兩個數(shù)字的乘積相一致。光學(xué)計算機的運作原理于此類似，但數(shù)學(xué)計算不再依靠電流來進行，而是相互作用的光子束和透鏡、分束器等導(dǎo)光元件。與必須克服電阻并沿著電路迂回曲折傳輸?shù)碾娮硬煌庾記]有質(zhì)量，以光速行進，一旦產(chǎn)生不會帶來額外的能量消耗。
麻省理工學(xué)院的科研人員近在 Nature Photonics 上發(fā)表了一篇論文，提出光學(xué)計算會非常有助于深度學(xué)習(xí)——推動人工智能重要技術(shù)的進步發(fā)展。深度學(xué)習(xí)需要的計算極其龐大：把大量數(shù)據(jù)集提供給模擬人工“神經(jīng)元”構(gòu)成的大型網(wǎng)絡(luò)，這種“神經(jīng)元”是基于人類大腦結(jié)構(gòu)設(shè)計的，但很簡略。每個人造神經(jīng)元吸收一組數(shù)字，將這些輸入進行簡單計算并把結(jié)果傳遞給下一層神經(jīng)元。通過調(diào)節(jié)每個神經(jīng)元執(zhí)行的計算，一個人造神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)能學(xué)習(xí)執(zhí)行多重任務(wù)，比如識別貓，能駕駛汽車。
深度困境
深度學(xué)習(xí)已經(jīng)成為人工智能的核心，像 Google 和芯片巨頭 Nvidia 這樣的大型企業(yè)都斥資百萬研發(fā)深度學(xué)習(xí)專用芯片。人造神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大部分時間都花在了“矩陣乘法”運算上——每個神經(jīng)元把它的輸入相加，并對每個輸入賦上不同的值，這種正是芯片利用了這一優(yōu)勢。比如說，在面部識別神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，有些神經(jīng)元會去尋找鼻子的特征。這些神經(jīng)元就會給那些與狹小的深色區(qū)域(比如鼻孔)相關(guān)的輸入設(shè)置更大的值，給明亮的斑塊(如皮膚)設(shè)置稍小的值，而對熒光綠這種顏色(不太可能會出現(xiàn)在鼻子上)設(shè)置的值就更低。通過將這些任務(wù)分發(fā)給上百個微小并相互獨立的處理器，專用的深度學(xué)習(xí)芯片能同步進行加權(quán)運算，極大提升運算速度。
這種類型的工作負荷所需的處理能力與一臺微型超級計算機相當。奧迪和其他制造自動駕駛汽車的公司，相當大手筆地在后備箱放置了整個計算機機架，但如果要給人工智能無人機或手機配備這么高的處理能力就沒那么容易了。而且即使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能運行在大型服務(wù)器農(nóng)場里，就像 Google 翻譯或 Facebook 的面部識別，這種高負荷計算消耗，電費就能達到百萬美元。
2015 年，MIT 的博士后，也是這篇新論文的作者 Yichen Shen，試圖尋求一種創(chuàng)新的深度學(xué)習(xí)方法來解決這些能耗和尺寸問題。在此過程中發(fā)現(xiàn)了論文共同作者 Nicholas Harris 的研究。Nicholas Harris 在 MIT 攻讀電子工程和計算機科學(xué)的博士學(xué)位，構(gòu)建了一種新型光學(xué)計算芯片。雖然以前大多數(shù)光學(xué)計算機都沒有成功，Shen 意識到可以把光學(xué)芯片和傳統(tǒng)計算機進行結(jié)合，開啟深度學(xué)習(xí)的新愿景。
復(fù)合型計算機
許多研究者很多年前就放棄光學(xué)計算了。從 1960 年代開始，貝爾實驗室就花費巨資研發(fā)光學(xué)計算機部件，但終他們的努力并沒有太多成效。法國上阿爾薩斯大學(xué)(Upper Alsace University)的光學(xué)計算教授 Pierre Ambs 表示，“電子晶體管的光學(xué)等同物一直沒能被開發(fā)出來”，而且光束也無法進行基本的邏輯運算。
與以往絕大多數(shù)光學(xué)計算機不同，Harris 開發(fā)的新型芯片并不是要取代傳統(tǒng) CPU(中央處理器)。它的設(shè)計僅僅專門用于量子計算，利用亞原子粒子的量子態(tài)進行運算，速度遠超傳統(tǒng)計算機。在參加 Harris 舉辦的新型芯片研討會時，Shen 注意到量子計算與阻礙深度學(xué)習(xí)的矩陣乘法是等同的。他隨即意識到，深度學(xué)習(xí)也許會是讓光學(xué)計算被雪藏幾十年的“殺手應(yīng)用”。受此激發(fā)，MIT 團隊把 Harris 的光學(xué)芯片集成到一臺普通計算機內(nèi)，讓一個深度學(xué)習(xí)程序把它的矩陣乘法運算下發(fā)到了光學(xué)硬件上。
當他們的計算機需要進行矩陣乘法時——數(shù)字的加權(quán)運算，它會首先把數(shù)字轉(zhuǎn)化成光信號，用更亮的光束代表更大的數(shù)字。這樣光學(xué)芯片就把整個大的乘法問題分解成了很多小的乘法運算，每個小運算都由芯片的單一“細胞”來完成。為了理解細胞的運作，想象一下兩股水流(即輸入光束)流入其中，然后流出也是兩股。細胞就像是水閘和水泵組成的晶格，將水流分成兩股，控制水的流速，然后再將它們合在一起。通過控制水泵的速度，細胞能引導(dǎo)不同量的水進入輸出流。
水泵的光學(xué)等效物是加熱后的硅(導(dǎo)電)通道。Harris 解釋說，加熱以后，“(硅)原子會稍微分散，導(dǎo)致光以不同的速度傳輸，”讓光波互相增強或抵消，就像聲波那樣。(抵消效應(yīng)就是消噪耳機工作的原理)。傳統(tǒng)計算機設(shè)置加熱器，每個細胞輸出通道流出的光流量就是輸入的加權(quán)和，加熱器決定權(quán)重大小。
要有光？
Shen 和 Harris 通過訓(xùn)練單一神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識不同元音字母的發(fā)音來測試芯片。結(jié)果只是中等水平，不好不壞。但 Shen 認為，這是因為重復(fù)使用了不完全合適的器件。比如說，用于數(shù)字與光信號相互轉(zhuǎn)換的元件只是粗略地驗證了概念的正確性，選擇它們只因為容易跟 Harris 的量子計算芯片集成。而根據(jù)他們在 Nature Photonics 上發(fā)表的論文，他們專為深度學(xué)習(xí)打造的計算機，性能極好，足以達到與好的傳統(tǒng)芯片同等的準確度，同時降低了好幾個數(shù)量級的能耗，速度提升了 100 倍。這樣的性能甚至足以讓手持型設(shè)備具備人工智能，且只需將這種能力內(nèi)置在手機，而無需把大量工作負荷轉(zhuǎn)嫁給大型服務(wù)器，如果沒有他們的研究，這本來幾乎是不可能實現(xiàn)的。
當然，光學(xué)計算機一波三折的發(fā)展史也留下了很多值得懷疑的地方。“我們不應(yīng)該太過興奮，”Ambs 警告道。Shen 和 Harris 的團隊目前還沒有開發(fā)出一套完整的系統(tǒng)，Ambs 的經(jīng)驗告訴我們，“對初級系統(tǒng)進行跨越性的改進絕非易事。”
即使如此，甚至 Ambs 也同意這項工作“與 90 年代光學(xué)處理器相比，是一個非常大的進步”。Shen 和 Harris 也抱著同樣樂觀的態(tài)度。他們正著手組建一家初創(chuàng)公司，對該項技術(shù)進行商業(yè)化，并很有信心地認為更大型的深度學(xué)習(xí)芯片也能實現(xiàn)?，F(xiàn)有芯片的不足都能找到解決辦法，Harris 宣稱，所以“這只是一個工程上的挑戰(zhàn)，只需要找到合適的人，并真正去著手建造，一切都將迎刃而解。”
(原標題：麻省理工發(fā)表新論文：用光學(xué)芯片打造深度學(xué)習(xí)專用計算機)
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