Mạng lưới thần kinh nhân tạo bằng quang tử silicon đầu tiên trên thế giới đã xuất hiện

Mạng lưới thần kinh nhân tạo đang là cơn bão cuốn theo cả thế giới điện toán. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng chúng để tạo ra những máy tính có khả năng học được vô số những kỹ năng, vốn trước đây chỉ dành riêng cho con người – như nhận diện đối tượng, khuôn mặt, xử lý ngôn ngữ tự nhiên, máy dịch. Tất cả các kỹ năng này, và nhiều hơn nữa giờ đang trở thành công việc của máy móc.

Do vậy, người ta đang rất quan tâm đến việc tạo ra các mạng lưới thần kinh với sức mạnh lớn hơn, để có thể đẩy những giới hạn về trí tuệ nhân tạo đi xa hơn. Trọng tâm của việc này là tạo ra các mạch điện hoạt động giống như các tế bào thần kinh, vì vậy nó còn được gọi là các chip neuromorphic (chip mô phỏng não người). Nhưng làm thế nào các mạch điện này có thể chạy nhanh hơn đáng kể?

Hiện nay, chúng ta có được câu trả lời nhờ vào nghiên cứu của Alexander Tait và các đồng nghiệp tại Đại học Princeton ở New Jersey, Mỹ. Những nhà nghiên cứu này đã tạo ra một con chip neuromorphic tích hợp quang tử silicon (integrated silicon photonic neuromorphic chip), và cho thấy tốc độ tính toán của nó siêu nhanh đến như thế nào.

Một nguyên mẫu chip quang tử silicon do IBM phát triển.

Mạng lưới thần kinh quang tử silicon

Điện toán quang học từ lâu đã là một giấc mơ vĩ đại của khoa học máy tính. Các lượng tử ánh sáng có băng thông nhiều hơn đáng kể so với các electron (các điện tử) vì vậy nó có thể xử lý nhiều dữ liệu hơn và nhanh hơn. Nhưng những ưu điểm của các hệ thống xử lý dữ liệu quang học chưa bao giờ đủ bù đắp những chi phí tăng thêm khi làm ra chúng, vì vậy chúng chưa bao giờ được chấp nhận rộng rãi.

Tuy nhiên, điều này đã bắt đầu thay đổi trong một vài lĩnh vực của điện toán, ví dụ xử lý tín hiệu analog, vốn luôn đòi hỏi tốc độ xử lý đặc biệt nhanh mà chỉ có các chip quang tử mới đáp ứng được.

Không những vậy, giờ các mạng lưới thần kinh đang mở ra một cơ hội mới cho các chip quang tử này. “Những mạng lưới thần kinh bằng chip quang tử tận dụng các nền tảng chip silicon quang tử, để có thể truy cập vào những khả năng mới của việc xử lý thông tin siêu nhanh cho radio, tín hiệu điều khiển, và các tính toán khoa học.” Tait và đồng nghiệp cho biết.

Thách thức lớn nhất của việc này là sản xuất được một thiết bị quang học, trong đó mỗi điểm nút đều có cùng các đặc điểm phản ứng như một tế bào thần kinh. Các điểm nút có hình dạng như các ống dẫn sóng trong một lớp chất nền bằng silicon, nơi ánh sáng lưu thông trong đó. Khi phát ra ánh sáng này và sau đó điều chỉnh đầu ra của tia laser để hoạt động tại một ngưỡng nào đó, một trạng thái mà mỗi thay đổi nhỏ ở ánh sáng đến đều tạo ra các tác động đáng kể đến đầu ra của tia laser.

Quan trọng hơn, mỗi điểm nút trong hệ thống này hoạt động ở một bước sóng ánh sáng cụ thể - một kỹ thuật còn được biết đến như ghép kênh phân chia sóng. Ánh sáng từ tất cả các điểm nút này có thể được ghép lại bằng bộ tách sóng công suất tổng cộng, trước khi nạp vào các máy phát laser. Và tia laser đầu ra sẽ được nạp trở lại vào các điểm nút để tạo ra một mạch hồi tiếp (feedback circuit) với đặc điểm phi tuyến tính.

Hiệu suất đáng kinh ngạc của một hệ thống mạng thần kinh quang học

Một câu hỏi quan trọng của hệ thống phi tuyến tính này là nó có thể bắt chước hành vi thần kinh chính xác như thế nào. Tait và đồng nghiệp của mình đo lường các kết quả đầu ra và nhận thấy nó tương đương về mặt toán học đối với một thiết bị được biết đến như một mạng lưới thần kinh tái phát liên tục về thời gian (continuous-time recurrent neural network - CTRNN).

“Kết quả này cho thấy rằng những công cụ lập trình cho các CTRNN có thể được áp dụng cho các mạng lưới thần kinh quang tử tích hợp silicon rộng lớn hơn.” Họ cho biết.

Đây là một kết quả quan trọng bởi vì điều này có nghĩa là, thiết bị do Tait và đồng nghiệp tạo ra có thể ngay lập tức khai thác những khả năng lập trình trên một phạm vi rộng lớn, đã được các loại mạng lưới thần kinh thu thập trong thời gian dài vừa qua.

Chip quang tử silicon của Intel được phát triển vào năm 2010, dùng cáp nối quang học giữa bộ Nhận (Receiver) và bộ Phát (Transmitter).

Họ tiếp tục chứng minh hệ thống này có được làm như thế nào bằng cách sử dụng một mạng lưới chứa 49 điểm nút quang tử. Họ sử dụng mạng lưới thần kinh quang tử này để giải quyết vấn đề toán học khi tính toán một loại phương trình vi phân nhất định và so sánh kết quả với bộ xử lý trung tâm thông thường.

Kết quả cho thấy mạng lưới thần kinh quang tử này có thể thực hiện nhanh đến như thế nào. “Phần cứng hiệu quả của mạng lưới thần kinh quang tử ước tính giúp tăng tốc độ xử lý lên gấp 1.960 lần đối với tác vụ này.” Tait và đồng nghiệp cho biết.

Việc tốc độ tăng cao một cách đáng kinh ngạc như vậy mở ra cánh cửa cho một ngành công nghiệp hoàn toàn mới, có thể đưa điện toán quang học trở thành một xu hướng phổ biến. “Các mạng lưới thần kinh bằng quang tử silicon có thể đại diện cho những đột phá đầu tiên vào một tầng lớp rộng lớn hơn của những hệ thống quang tử silicon có thể mở rộng khả năng xử lý thông tin.” Tait và đồng nghiệp cho biết.

Ngoài ra vẫn còn những nhà nghiên cứu khác trong lĩnh vực này. Đầu năm nay, Yichen Shen tại trường MIT và một vài đồng nghiệp đã đề xuất kiến trúc cho một hệ thống mạng lưới thần kinh đầy đủ và trình diễn các yếu tố của nó bằng cách sử dụng một bộ xử lý nanophotonic có thể lập trình được.

Tất nhiên nhiều điều khác vẫn phụ thuộc vào việc thế hệ đầu tiên của chip neuromorphic điện tử sẽ trình diễn như thế nào. Các mạng lưới thần kinh quang tử sẽ phải đưa ra những ưu điểm vượt trội để có thể được chấp nhận rộng rãi và vì vậy, nó sẽ cần được mô tả chi tiết hơn. Rõ ràng, hiện tại đang là thời điểm thú vị để hướng tới một nền điện toán quang học.

Theo Technologyreview