Os supercomputadores são extremamente rápidos, mas também consomem muita energia. A computação neuromórfica, que toma nosso cérebro como modelo para construir computadores rápidos e energeticamente eficientes, pode oferecer uma alternativa viável e muito necessária. A tecnologia tem muitas oportunidades, por exemplo, em direção autônoma, interpretação de imagens médicas, IA de ponta ou comunicações ópticas de longa distância. A engenheira elétrica Patty Stabile é pioneira quando se trata de explorar novos paradigmas de computação inspirados no cérebro e na biologia. "TU/e combina tudo o que é necessário para demonstrar as possibilidades da computação neuromórfica baseada em fótons para aplicações de IA".
Patty Stabile, professora associada do departamento de Engenharia Elétrica, foi uma das primeiras a entrar no campo emergente da computação neuromórfica fotônica.

“Estava trabalhando em uma proposta para construir neurônios artificiais digitais fotônicos quando em 2017 pesquisadores do MIT publicaram um artigo descrevendo como desenvolveram um pequeno chip para realizar as mesmas operações algébricas, mas de forma analógica. sinapses baseadas em tecnologia analógica eram o caminho a seguir para executar inteligência artificial, e desde então estou viciado no assunto."

A Stabile está se concentrando principalmente na realização de computação neuromórfica com tecnologia fotônica integrada. "Para este novo campo multidisciplinar empolgante, estou reutilizando muito do conhecimento que ganhei enquanto trabalhava em comutação óptica para aplicativos de data center."

Velocidades sem precedentes

No campo da inteligência artificial, grandes quantidades de dados precisam ser processadas e analisadas em velocidades sem precedentes.

"Os algoritmos que você precisa para fazer isso não podem ser executados em arquiteturas convencionais de computação von Neumann, porque eles não podem executar memória e processamento ao mesmo tempo. O que você precisa são arquiteturas paralelas que combinem essas funções, para garantir um transporte de dados suave e rápido. Há uma infinidade de soluções muito promissoras em eletrônica, mas o dilema é a quantidade limitada de dados que podem percorrer os circuitos. Na fotônica, você pode transportar quantidades quase ilimitadas de dados na velocidade da luz."

Um cérebro humano contém cerca de 100 bilhões de neurônios, cada um dos quais pode se comunicar com milhares de outros neurônios por meio de sinapses que transportam neurotransmissores. "Os conceitos-chave aqui são os nós e a interconectividade. E isso é bastante semelhante ao que já temos em switches integrados fotônicos."

É por isso que Stabile vê possibilidades promissoras de usar fotônica integrada para construir redes neuromórficas. Ela também acredita que este campo inteiramente novo de fotônica neuromórfica trará mais avanços nas arquiteturas de interruptores ópticos.

Desafios

No entanto, construir uma rede fotônica neuromórfica está longe de ser trivial. "O grande desafio é escalar para um grande número de neurônios. Isso significa que surgem novas questões de pesquisa:como você pode empilhar neurônios em apenas duas ou três camadas e ainda assim obter resultados de computação confiáveis? É possível redesenhar algoritmos em tais uma maneira de simplificar a arquitetura de rede necessária?"

Para responder a essas e outras perguntas, a Stabile colabora com muitos outros colegas de disciplinas complementares, desde ciência de materiais e sistemas embarcados até matemática e ciência da computação.

"Essa é a parte mais divertida do meu trabalho, o fato de poder cobrir toda a cadeia, desde o lado dos materiais e da tecnologia até a aplicação real, por meio de toda a pilha de camadas de computação", diz o engenheiro elétrico.

Aplicativos

A Stabile vê muitas oportunidades para essa tecnologia. "Por exemplo, na direção autônoma, onde você precisa processar e analisar uma infinidade de dados de um grande número de sensores para permitir a tomada de decisões em tempo real. Ou na classificação de imagem ultrarrápida, onde você pode usar redes neurais ópticas convolucionais para apoiar radiologistas na interpretação de imagens médicas ou permitir processamento de sinal extremo para imagens astronômicas.

Mas também em comunicações ópticas de longa distância, para aliviar o consumo de energia do processamento de sinal digital no lado receptor. Ou no setor aeroespacial, onde você pode usar redes neurais fotônicas de potência ultrabaixa para pré-processar os dados adquiridos antes de enviá-los para a Terra."

Otimize e simplifique

Mas esses são todos sonhos para o longo prazo. No momento, a Stabile se concentra na otimização da arquitetura de rede no chip. Em vez de construir redes tão complexas quanto possível, o Stabile primeiro volta ao básico.

"Estou tentando determinar até que ponto podemos simplificar as redes necessárias e ainda obter previsões confiáveis. Qual seria o aplicativo matador para esses tipos de redes e quais requisitos eles precisam atender? O próximo passo é integrar as camadas físicas, sistemas de controle, algoritmos e leituras em um sistema de trabalho que é capaz de acelerar a computação de maneira eficiente."

A expansão da tecnologia será a próxima fase. "Podemos explorar amplas possibilidades para alcançar o desempenho desejado, desde nanofotônica a spintrônica e plasmônica".

Um neurônio 3D

Em um futuro próximo, Stabile espera demonstrar um neurônio tridimensional baseado na integração de eletrônica e fotônica multifuncional.

"Isso pode consistir em uma camada de fosforeto de índio para processos não lineares, coberta com uma camada de roteamento feita de nitreto de silício para operações sinápticas de perda ultrabaixa. Isso é então carregado por uma camada de memória, baseada em materiais que mudam de fase. análise de profundidade das métricas nossos cálculos mostraram que isso pode permitir computação em petascale em dezenas de femtojoules por operação.

Aqui em Eindhoven, temos o ecossistema certo, a experiência certa e o equipamento certo para produzir tal neurônio e estudar suas propriedades. Além disso, o recém-lançado Instituto Eindhoven Hendrik Casimir estimulará ainda mais nossa pesquisa."

Mesa de teste

Além de otimizar a arquitetura de rede on-chip, a Stabile está atualmente focando no desenvolvimento de uma plataforma experimental para acelerar a tecnologia. O testbed pode atrair o interesse das empresas para explorar como essa tecnologia pode ajudar a resolver seus problemas.

E, claro, ela quer atrair novos cientistas e estudantes para esse campo emergente de pesquisa. "A fotônica neuromórfica é um campo multidisciplinar muito empolgante que traz grandes promessas para o futuro. Na TU/e, estamos na vanguarda do assunto, trabalhando em tecnologia, redes, arquitetura e ciência da computação. Como não gostar?"

A pesquisa é publicada no IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics .