人工智能等日益復(fù)雜的應(yīng)用程序需要更強(qiáng)大、更耗電的計(jì)算機(jī)來(lái)運(yùn)行。光計(jì)算是一種提高速度和功率效率的解決方案，但由于限制和缺點(diǎn)尚未實(shí)現(xiàn)。

一種新的設(shè)計(jì)架構(gòu)，稱為衍射鑄造，試圖解決這些缺點(diǎn)。它向光計(jì)算領(lǐng)域介紹了一些概念，這些概念可能使其在下一代計(jì)算設(shè)備中更有吸引力。

無(wú)論是口袋里的智能手機(jī)還是桌上的筆記本電腦，當(dāng)前所有的計(jì)算機(jī)設(shè)備都是基于電子技術(shù)的。但這有一些固有的缺點(diǎn);特別是，它們必然會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，尤其是當(dāng)它們提高性能時(shí)，更不用說(shuō)制造技術(shù)正在接近理論上可能的基本極限。

因此，研究人員探索執(zhí)行計(jì)算的替代方法，可以解決這些問(wèn)題，并理想地提供一些新的功能或特性。

一種可能性在于一個(gè)已經(jīng)存在了幾十年，但尚未突破并具有商業(yè)可行性的想法，那就是光學(xué)計(jì)算。

從本質(zhì)上講，光學(xué)計(jì)算利用光波的速度及其與不同光學(xué)材料以復(fù)雜方式相互作用的能力，而不會(huì)產(chǎn)生任何熱量。再加上大范圍的光波可以同時(shí)穿過(guò)材料而互不影響，理論上就可以制造出大規(guī)模并行、高速和節(jié)能的計(jì)算機(jī)。

“在20世紀(jì)80年代，日本的研究人員探索了一種叫做陰影投射的光學(xué)計(jì)算方法，它可以執(zhí)行一些簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算。但它們的實(shí)現(xiàn)是基于相對(duì)笨重的幾何光學(xué)形式，可能類(lèi)似于早期數(shù)字計(jì)算機(jī)中使用的真空管。東京大學(xué)信息光子學(xué)實(shí)驗(yàn)室的副教授堀崎良一說(shuō):“它們?cè)谠瓌t上是可行的，但它們?nèi)狈`活性和易于集成的能力，無(wú)法發(fā)揮作用?！?/p>

“我們引入了一種叫做衍射投射的光學(xué)計(jì)算方案，它改進(jìn)了陰影投射。陰影投射是基于光線與不同幾何形狀的相互作用，而衍射投射是基于光波本身的特性，這導(dǎo)致了空間效率更高，功能更靈活的光學(xué)元件，可以以您期望的方式擴(kuò)展，并要求通用計(jì)算機(jī)。

“我們進(jìn)行了數(shù)值模擬，得出了非常積極的結(jié)果，使用16 × 16像素的黑白圖像作為輸入，比智能手機(jī)屏幕上的圖標(biāo)還小。”

Horisaki和他的團(tuán)隊(duì)提出了一種全光學(xué)系統(tǒng)，即只將最終輸出轉(zhuǎn)換為電子和數(shù)字的系統(tǒng);在此之前，系統(tǒng)的每一步都是光學(xué)的。他們的研究成果發(fā)表在《高級(jí)光子學(xué)》雜志上。

他們的想法是將圖像作為數(shù)據(jù)的來(lái)源-這自然表明該系統(tǒng)可以用于圖像處理，但其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)，特別是機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)，也可以用圖形表示-并將源圖像與表示邏輯操作階段的一系列其他圖像結(jié)合起來(lái)。

可以把它想象成像Adobe Photoshop這樣的圖像編輯應(yīng)用程序中的圖層:有一個(gè)輸入層(源圖像)，它可以將圖層放在上面，這些圖層可以模糊、操縱或傳輸來(lái)自下面圖層的內(nèi)容。輸出(頂層)本質(zhì)上是由這些層的組合處理的。

在這種情況下，這些層將有光穿過(guò)它們，在傳感器上投射圖像(因此衍射投射中的“投射”)，然后將成為存儲(chǔ)或呈現(xiàn)給用戶的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。

主要作者Ryosuke Mashiko說(shuō):“衍射鑄造只是基于這一原理的假想計(jì)算機(jī)中的一個(gè)組成部分，最好將其視為一個(gè)額外的組件，而不是現(xiàn)有系統(tǒng)的完全替代，就像圖形處理單元是圖形、游戲和機(jī)器學(xué)習(xí)工作負(fù)載的專用組件一樣?！?/p>

“我預(yù)計(jì)它將需要大約10年的時(shí)間才能商業(yè)化，因?yàn)樵谖锢韺?shí)現(xiàn)上還有很多工作要做，盡管有實(shí)際的工作基礎(chǔ)，但尚未建成。”

“目前，我們可以證明衍射鑄造在執(zhí)行許多信息處理核心的16個(gè)基本邏輯運(yùn)算方面的有用性，但也有將我們的系統(tǒng)擴(kuò)展到超越傳統(tǒng)計(jì)算的另一個(gè)即將到來(lái)的計(jì)算領(lǐng)域的空間，那就是量子計(jì)算。時(shí)間會(huì)證明一切的?！?/p>