Voor het eerst kan een lichtchip zelfstandig leren en dat kan AI veel efficiënter maken

Fotonische chips hadden tot nu toe een hardnekkige beperking. Voor de ingewikkeldste stappen moesten ze terugvallen op traditionele elektronica. Daarmee verloren ze hun grootste voordeel: snelheid. Dat obstakel is nu weggenomen.

Onze hersenen communiceren via korte elektrische pulsen tussen zenuwcellen. Dat principe proberen wetenschappers al langer na te bootsen in computerchips, maar dan met lichtpulsen. Dat is in theorie veel sneller en zuiniger. Het probleem was tot nu toe dat zulke chips alleen simpele, rechttoe-rechtaan berekeningen in licht konden doen. Zodra het ingewikkelder werd, met name wanneer het soort rekenwerk dat nodig is om te leren en beslissingen te nemen moest worden uitgevoerd, werd het lichtsignaal omgezet naar een elektronisch signaal. Daardoor verdween het snelheidsvoordeel van fotonische chips grotendeels.

Onderzoekers van de Xidian University in China hebben een oplossing gevonden. Hun systeem bestaat uit twee chips die samenwerken om zowel de eenvoudige als de complexe stappen uitsluitend met licht uit te voeren. De eerste chip heeft ruim 270 instelbare verbindingen. Je kan dit min of meer vergelijken met de synapsen in je brein die sterker of zwakker worden naarmate je iets leert.

De tweede chip zorgt voor de niet-lineaire verwerking. Dat zijn het soort berekeningen waarmee een systeem kan leren inspelen op onverwachte situaties. “Wanneer we zeggen dat een chip kan ‘leren’, bedoelen we specifiek dat ze kan interageren met haar omgeving en haar acties kan aanpassen op basis van de waargenomen toestand. Ze ‘leert’ uit ervaring, net zoals mensen dat doen, in plaats van louter een vaste reeks commando’s uit te voeren”, vertelt Shuiying Xiang, een van de onderzoekers, aan Scientias.nl.

Balanceren als examen

Om te laten zien dat het systeem dit echt kan, lieten de onderzoekers het twee klassieke tests uitvoeren die in de robotica worden gebruikt als maatstaf voor leervermogen. Bij de eerste moet een paal in balans worden gehouden op een rijdend karretje. Bij de tweede moet een slinger vanuit hangende positie omhoog worden gezwaaid en rechtop worden gehouden. Dit zijn moeilijke taken, vertelt Xiang, omdat het systeem voortdurend de toestand van de stok of slinger moet meten en zijn output in realtime moet aanpassen.

Het lichtsysteem scoorde in beide gevallen zeer goed. Het bijzondere hier is dat de chip er slechts 320 picoseconden over deed om een berekening te maken. Dat is 320 biljoenste van een seconde. In diezelfde tijd legt licht, dat een snelheid van 300.000 kilometer per seconde heeft, nog geen tien centimeter af.

Zuinig genoeg voor de echte wereld

Naast snelheid scoort het systeem ook goed op vlak van energiezuinigheid. De onderzoekers melden prestaties die in dezelfde orde van grootte vallen als gangbare grafische processors, met het bijkomende voordeel dat alles optisch verloopt.

Deze snelheid maakt de technologie vooral nuttig voor toepassingen waar elke milliseconde telt. Toepassingen die de onderzoekers specifiek noemen zijn zelfrijdende voertuigen of robots die in de echte wereld werken en ter plekke moeten leren hoe hun omgeving in elkaar zit. “Net zoals onze chip snel reageert op kleine veranderingen in de hoek van de stok om die in balans te houden, moet een zelfrijdende auto onmiddellijk reageren op plotselinge veranderingen”, zegt Xiang.

Daar komt bij dat licht weinig energie verliest. Traditionele elektronica maakt gebruik van metalen geleiders waarin een deel van de energie wordt omgezet in warmte.

Nog niet meteen op de markt

Voordat we deze technologie in alledaagse apparaten tegenkomen, is er nog wat werk aan de winkel. De volgende stap is om een chip te bouwen met meer kanalen die veel complexere taken aankan. Xiang schat dat de technologie snel beter zal worden. “We spreken over ongeveer vijf tot tien jaar. De belangrijkste uitdagingen zijn verdere miniaturisering, het verlagen van de productiekosten en het optimaliseren van de compatibiliteit met bestaande elektronische systemen.” Maar de basis is er nu.

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Nieuwe fotonische processor maakt AI sneller en energiezuiniger en Grote stap richting autonoom rijden: optische atoomklok in je smartphone maakt gps duizend keer nauwkeuriger. Of lees dit artikel: Kunstmatige intelligente onthult dat niet elke vingerafdruk die jij achterlaat uniek is.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: