Исследователям удалось разработать методику, позволяющую использовать свет для выполнения вычислительных операций с минимальными энергетическими затратами.

Исследователи из Университета Пенсильвании представили инновационный фотонный подход, сулящий значительное снижение энергозатрат в сфере искусственного интеллекта. Вместо традиционной электроники они применяют экситон-поляритоны — гибридные квазичастицы, сочетающие свойства света и материи. Это позволило создать оптический переключатель, который функционирует без преобразования сигналов в электрическую энергию.

Одной из ключевых проблем современной индустрии ИИ является колоссальное потребление энергии. Нейросети требуют все больше вычислительных ресурсов, а работа серверов и графических процессоров сопровождается выделением значительного количества тепла, что вынуждает дата-центры инвестировать в охлаждение оборудования наряду с самими вычислениями.

Фотонные вычисления рассматриваются как перспективное решение данного вызова. Свет, в отличие от электронов, способен передавать информацию с более высокой скоростью и минимальным нагревом системы. Однако, низкая степень взаимодействия фотонов друг с другом затрудняет построение на их основе логических элементов, необходимых для вычислений.

Американские ученые преодолели это ограничение, используя структуру из ультратонкого полупроводникового слоя, заключенного в нанооптическую полость. В этой среде свет вступает в резонанс с экситонами — связанными состояниями электронов и «дырок» в материале. В результате образуются экситон-поляритоны, комбинирующие скорость света с необходимым для вычислений свойством взаимодействия.

Ключевым достижением является создание сверхэффективного оптического переключателя, потребляющего около 4 фемтоджоулей энергии на операцию — это меньше, чем требуется для кратковременной работы обычного светодиода. Авторы работы отмечают, что это один из лучших показателей среди аналогичных фотонных систем.

При успешном масштабировании данная технология может стать основой для будущих полностью оптических нейросетей и энергоэффективных ИИ-чипов, что позволит сократить энергопотребление дата-центров и снизить затраты на системы охлаждения.

Стоит отметить, что на данный момент технология находится на стадии лабораторной демонстрации, и до создания полноценного фотонного компьютера еще предстоит решить задачи стабильной работы в составе крупных вычислительных систем.