In de computerwereld zijn snelheid en energie-efficiëntie vaak tegengestelde krachten. Naarmate machines leren om complexere taken sneller uit te voeren, neemt hun energieverbruik toe. Maar wat als er een manier was om hogere computersnelheden te bereiken en tegelijkertijd het energieverbruik te verminderen? Dat is wat onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) beogen met ‘Lightning’, een fotonisch-elektronisch systeem. Dit systeem combineert licht en elektronen en ontsluit snellere, groenere rekenmogelijkheden.
Een sprong voorwaarts voor machinaal leren
Het systeem is ontworpen om taken op het gebied van machinaal leren te versnellen. Lightning kan diepe neurale netwerken versnellen door gebruik te maken van fotonische berekeningen, die hun taken uitvoeren met behulp van fotonen in plaats van traditionele transistors en draden. Dit maakt real-time inferentietaken voor machinaal leren mogelijk, zoals beeldherkenning en taalgeneratie. De succesvolle ontwikkeling van Lightning betekent een belangrijke stap voorwaarts op het gebied van fotonisch computergebruik en biedt een veelbelovende oplossing voor sneller en groener computergebruik, aldus MIT.
Geïntegreerde fotonica
De bevindingen van het MIT raken aan de basis van ‘geïntegreerde fotonica’, een halfgeleidersysteem dat is ontwikkeld door Nederlandse onderzoekers en ondernemers op het gebied van fotonica en elektronica. Zoals Ewit Roos, directeur van PhotonDelta, eerder zei tegen Innovation Origins: “Licht heeft andere toepassingen dan elektriciteit. Licht zal elektronische schakelingen daarom nooit helemaal kunnen vervangen. Daarom is de halfgeleiderindustrie geïnteresseerd in het integreren van fotonische functies in of naast elektronica: het verrijkt en maakt nieuwe toepassingen mogelijk.”
Fotonica is vergelijkbaar met elektronica. Het gebruikt echter fotonen (licht) om informatie over te brengen in plaats van elektronen. Fotonische technologie detecteert, genereert, transporteert en verwerkt licht. Huidige toepassingen zijn zonnecellen, sensoren en glasvezelnetwerken. Fotonische chips, ook wel fotonische geïntegreerde schakelingen (PIC’s) genoemd, integreren verschillende fotonische en vaak ook elektronische functies in een microchip om kleinere, snellere en energiezuinigere apparaten te maken. Dit is goed zichtbaar in bijvoorbeeld datacenters: door de kracht van licht te benutten, kunnen PIC’s gegevens effectiever verwerken en verzenden dan hun elektronische tegenhangers. Net als bij traditionele chips verloopt het productieproces via geautomatiseerde wafer-scale technologie. Hierdoor kunnen de chips in massa worden geproduceerd, waardoor de kosten dalen. Geïntegreerde fotonica biedt een duurzame oplossing voor het energieverbruik en de technologische uitdagingen van de maatschappij. Het uiteindelijke toepassingsgebied is breed, van energie-efficiënte datacommunicatie tot sensoren voor medische toepassingen en het beheer van autobatterijen.
De geheugenuitdaging overwinnen
Een van de grootste obstakels bij het implementeren van fotonische computers is het gebrek aan geheugen en instructies om de gegevensstromen te besturen. Het Lightning-systeem overbrugt dit obstakel door fotonica naadloos te verbinden met elektronica. De onderzoekers ontwikkelden een nieuwe ‘count-action programming abstraction‘ die fungeert als een uniforme taal tussen de twee componenten en zorgt voor een soepele gegevensstroom tussen beide. Dit maakt Lightning tot een computersysteem dat in staat is om real-time machine learning inferentieverzoeken te verwerken.
Milieu- en economische voordelen
Lightning biedt niet alleen rekenvoordelen. Machine learning-diensten zoals ChatGPT verbruiken veel rekenkracht en stoten grote hoeveelheden kooldioxide uit. Lightning genereert minder warmte en een grotere energie-efficiëntie door gebruik te maken van fotonen, die sneller bewegen dan elektronen. Dit systeem vermindert het stroomverbruik voor machine learning-inferentie met ordes van grootte vergeleken met traditionele versnellers, waardoor het een kosteneffectieve en milieuvriendelijke optie is voor datacenters.
Lightning vs. andere systemen
Volgens MIT kwam Lightning als beste uit de bus in vergelijking met standaard grafische verwerkingseenheden, gegevensverwerkingseenheden, SmartNIC’s en andere versnellers. De onderzoekers ontdekten dat Lightning beter presteerde dan deze systemen wat betreft energie-efficiëntie bij het uitvoeren van inferentieverzoeken. Het ontwerp heeft potentieel als upgrade voor datacenters, waardoor de koolstofvoetafdruk van modellen voor machinaal leren wordt verminderd en de inferentieresponstijd voor gebruikers wordt verbeterd, concludeert MIT.
Verschillende organisaties, waaronder DARPA, ARPA-E, het United States Army Research Office en de National Science Foundation, hebben het onderzoek van het MIT-team gesteund. Deze maand presenteert het team hun bevindingen op de Special Interest Group on Data Communication (SIGCOMM) van de Association for Computing Machinery.
Als je dit artikel leuk vindt, lees dan ook:
