Nouvelle percée dans le calcul optoélectronique de Tsinghua : les performances des puces ont été multipliées par 10 000, la recherche atteint le plus haut niveau

L'équipe de l'Université Tsinghua a réalisé de nouvelles percées dans le domaine des puces informatiques ultra-hautes performances, et des recherches connexes ont été publiées dans Nature.

Avec l'émergence de divers grands modèles et de réseaux neuronaux profonds, la manière de créer des puces d'IA de nouvelle génération qui répondent au développement de l'intelligence artificielle et disposent à la fois d'une grande puissance de calcul et d'une haute efficacité énergétique est devenue un sujet brûlant. sujet sur le devant de la scène internationale.

Parmi les questions scientifiques majeures de 2023 publiées par l'Association chinoise pour la science et la technologie, « Comment réaliser une intelligence artificielle à faible consommation d'énergie » a été classée première.

Récemment, L'équipe de l'Université Tsinghua a réalisé de nouvelles percées dans le domaine des puces informatiques ultrahaute performance. Les résultats correspondants ont été publiés dans Nature sous le titre "Puce photoélectronique entièrement analogique pour les tâches de vision à grande vitesse".

Cette puce est basée sur une architecture informatique de fusion optoélectronique analogique pure. Dans la mesure réelle des tâches de vision intelligente telles qu'ImageNet, avec la même précision, elle a une puissance de calcul 3 000 fois supérieure et une efficacité énergétique 4 millions de fois supérieure. que les GPU hautes performances existants avec la même précision Times .

^{Le contenu qui doit être réécrit est : Figure 1 Articles connexes (Source : "Nature")}

Adresse du papier :

Chen, Y. et al. -tâches de vision rapide. Nature https://doi.org/10.1038/s41586-023-06558-8 (2023).

Le futur est déjà là ? Il n’est pas facile de réaliser un bond en puissance de calcul en utilisant des puces informatiques basées sur la lumière, en particulier l’architecture de puce traditionnelle actuelle, qui est limitée par la taille des transistors électroniques approchant les limites physiques. La nouvelle architecture informatique est devenue la clé pour sortir de cette situation. L'informatique optique, avec son parallélisme et sa vitesse ultra-élevés, est considérée comme l'une des solutions concurrentes les plus puissantes pour les futures architectures informatiques disruptives.

L'informatique optique, comme son nom l'indique, transforme le support informatique de l'électricité en lumière et utilise la propagation de la lumière dans la puce pour effectuer des calculs. Face à la perspective attrayante de l'informatique à la vitesse de la lumière, des équipes de recherche scientifiques renommées au pays et à l'étranger ont proposé diverses conceptions ces dernières années. Cependant, afin de remplacer les dispositifs électroniques existants pour réaliser des applications au niveau du système, elles sont toujours confrontées.

goulots d'étranglement majeurs

 :

一Comment intégrer des unités informatiques à grande échelle (neurones contrôlables) sur une seule puce et limiter le degré d'accumulation d'erreurs

La seconde est d'atteindre une vitesse élevée et efficace ; non-linéarité sur puce ; Le troisième est d'être compatible avec le courant Dans une société de l'information où les signaux électroniques sont le pilier, comment fournir une interface efficace entre le calcul optique et le calcul des signaux électroniques. La consommation électrique actuelle de la conversion analogique-numérique est de plusieurs ordres de grandeur supérieure à celle de chaque opération de multiplication et d'addition du calcul optique, ce qui masque les avantages en termes de performances du calcul optique lui-même, ce qui rend difficile pour les puces optiques de démontrer leur supériorité dans applications pratiques.
La puissance de calcul et l'efficacité énergétique au niveau du système sont dix mille fois supérieures à celles des puces existantes

Pour résoudre ce problème international, l'équipe de l'Université Tsinghua a proposé de manière créative un cadre informatique qui simule la fusion électrique et lumière simulée. Construisez un réseau neuronal de diffraction multicouche à grande échelle sous la lumière visible pour réaliser l'extraction de caractéristiques visuelles, et utilisez le photocourant pour effectuer directement des calculs électroniques analogiques purs basés sur la loi de Kirchhoff. Les deux sont intégrés dans le même cadre de puce, complétant ainsi. le nouveau système informatique «
pré-détection » + Sensing + Near Sensing

. Il réduit considérablement la demande d'ADC de haute précision, élimine le goulot d'étranglement physique de vitesse, de précision et de consommation d'énergie dans le processus de conversion analogique-numérique du paradigme traditionnel de traitement de vision par ordinateur et réalise des percées en matière d'intégration à grande échelle et de non-linéarité efficace. , et haute vitesse sur une seule puce. Il existe trois goulots d'étranglement clés dans l'interface optique et électrique.

算 Figure 2. Principe de calcul et architecture de la puce de calcul optoélectronique ACCEL (Source : "Nature")

Sous les performances mesurées, la puissance de calcul au niveau du système de la puce Accel atteint le nombre de niveaux élevés existants - puces de performance Mille fois
. Dans le même temps, l'efficacité énergétique au niveau du système atteint 74,8 Peta-OPS/W, ce qui représente une amélioration de

deux mille à des millions de fois

par rapport aux GPU hautes performances, TPU, calcul optique et architecture de calcul électrique analogique existants. .

ACCEL fonctionnant avec une consommation d'énergie ultra-faible contribuera à

améliorer considérablement le problème de chauffage
, apportera des percées globales dans la conception future des puces et fournira une base de puissance de calcul pour des observations physiques à ultra-haute vitesse. Dans le même temps, il apporte des avantages significatifs aux scénarios exigeant une endurance élevée, tels que les systèmes sans pilote et la conduite autonome.

                                                                                                                                                                                                        Tableau 1. Comparaison des systèmes -indicateurs de performance mesurés au niveau entre ACCEL et les puces hautes performances existantes (Source : "Nature") Il suffit de calculer directement

De plus, la puce ACCEL prend également en charge les calcul de scènes visuelles lumineuses incohérentes, telles que l'expérience de scène de circulation présentée dans l'article. Il a considérablement élargi les domaines d'application d'ACCEL et devrait bouleverser l'idée actuelle de prendre des photos et de les sauvegarder en mémoire avant d'effectuer des calculs dans des domaines tels que la conduite autonome, la vision robotisée et les appareils mobiles. Limites de bande passante ADC et effectue les calculs pendant le processus de détection.

                                                                                                                                                   La nouvelle architecture informatique proposée par l'équipe de Tsinghua est non seulement d'une grande importance pour l'application et le déploiement de la technologie informatique optique, mais également profondément inspirante pour l'intégration future d'autres technologies de calcul haute performance avec les systèmes d'information électroniques actuels.

L'un des auteurs correspondants de l'article, l'académicien Dai Qionghai de l'Université Tsinghua, a déclaré : « C'est une grande montagne de développer un système informatique utilisant de nouveaux principes, mais c'est une grande ascension pour véritablement mettre en œuvre la nouvelle génération. architecture informatique dans la vie réelle et répondre aux besoins majeurs de l'économie nationale et des moyens de subsistance de la population. Des recherches plus importantes après le pic "

Une revue spéciale de cette recherche publiée dans Research Briefing a également souligné: "Peut-être l'émergence. " De ce travail permettra une nouvelle génération d'architecture informatique plus tôt que prévu. ACCEL pourrait permettre à ces architectures de jouer un rôle dans notre vie quotidienne beaucoup plus tôt que prévu. "

L'académicien Dai Qionghai, le professeur agrégé Fang Lu, le chercheur associé Qiao Fei et le professeur adjoint Wu Jiamin de l'Université Tsinghua sont les auteurs co-correspondants de cet article ; Xu Han sont les co-premiers auteurs ; le Dr Meng Yao, le chercheur adjoint Zhou Tiankuang, le doctorant Li Guangpu, le chercheur Fan Jingtao et le chercheur associé Wei Qi ont participé à cette recherche.

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