Optische chip IBM ruim twee keer zo snel als beste AI-chips

IBM kondigt aan flinke vorderingen te maken met het maken van berekeningen in een chip die alle bewerkingen in licht uitvoert. Deze aanpak belooft dataverwerking met een snelheid die nog niet eerder is vertoond.

Thijs DoorenboschMeer van deze auteur

In de photonic tensor core combineert IBM de berekeningen op basis van fotonen met het concept van in-memory computing, ook wel een non-Von Neuman-aanpak genoemd. Al onze huidige computers zijn gebaseerd op een architectuur die is opgezet door John von Neuman in 1945 waarbij een duidelijk scheiding is tussen de verwerking van data in een rekenchip (CPU) en tijdelijke opslag in geheugenchips (werkgeheugen) en langdurige opslag in een externe opslageenheid. In de non Von Neuman-architectuur worden deze de scheidingen weggehaald, bijvoorbeeld tussen het werkgeheugen en de verwerking. Daardoor verdwijnt de vertraging als gevolg van het transport van data vanuit het geheugen naar de verwerkingseenheid.

Het idee om licht te gebruiken om data te verwerken werd al in de jaren 50-60 van de vorige eeuw bedacht. Het idee is vanwege de snelle ontwikkeling van computerchips op basis van elektronische schakelingen lange tijd in de ijskast beland. Nu echter de grenzen aan de versnelling van elektronische verwerking zo'n beetje zijn bereikt, is er hernieuwde aandacht voor het rekenen met fotonen.

Parallelle verwerking mogelijk

Optische verwerking

In een volledige optische computer is de traditionele elektronische transistor vervangen door een optische equivalent. Door speciale materialen met een niet-lineaire refractie-index in te zetten, kan inkomend licht de intensiteit van het licht dat door het materiaal gaat, beïnvloeden op een manier vergelijkbaar met de huidige werking van een bipolaire transistor. Zo is het mogelijk optische 'logical gates' te creëren die - net als bij gebruik van elektronische transistoren - kunnen worden samengebouwd tot de geavanceerde componenten van een CPU. Op deze manier worden dus lichtpaden gebruikt in combinatie met niet-linaire kristallen om andere lichtpaden te manipuleren. Het transport in een optische computer vindt plaats met glasvezel en de gegevens kunnen optisch worden opgeslagen op bijvoorbeeld een DVD.

Het blijkt dat een integrated photonic processor veel hogere modulatiefrequenties kan bereiken dan mogelijk is met elektronische verwerking. Bovendien kan nu parallelle verwerking plaatsvinden in een enkele kern door gebruik te maken van verschillende kleuren laserlicht, ook wel ‘wavelength division multiplexing’ (WDM) genoemd. Er was echter lang het probleem dat het aantal beschikbare laserkleuren beperkt was. Dat is opgelost door Tobias Kippenberg, een Duitse natuurkundige die het fenomeen van frequentiekammen toepasbaar maakte voor gebruik in optische chips.

Die eigenschappen in combinatie met het reduceren van latency door in-memory computing toe te passen levert een chip op die nu al in staat in staat is tot duizend biljoen (in totaal 10 tot de macht 15) multiply-accumulate (MAC) operations per seconde. Dat is volgens de wetenschappers ruim twee keer zo snel als de snelste AI-processoren nu aankunnen.

De onderzoekers van IBM Research werken voor deze ontwikkeling nauw samen met wetenschappers van de universiteiten van Oxford, Münster en Exeter. Zij publiceerden hun werk onlangs in het toonaangevende wetenschappelijk tijdschrift Nature. Een van hen - Abu Sebastian - schrijft er over in een blog.