Processador de luz faz aprendizado profundo massivamente paralelo

Informtica

Redação do Site Inovação Tecnológica – 17/01/2023

Computao difrativa

Os computadores pticos, que usam luz em vez de eletricidade para realizar clculos, esto entre as tecnologias mais promissoras para romper com os limites da atual tecnologia eletrnica.

Eles podem fornecer menor latncia, um consumo de energia mnimo e funcionarem na velocidade da luz, beneficiando-se do paralelismo tpico dos sistemas pticos – em um computador ptico, o processamento feito inteiro de uma vez s, na velocidade da luz.

Com tanta coisa em jogo, pesquisadores tm explorado diversas abordagens para a computao com luz.

Uma dessas abordagens uma rede ptica difrativa, projetada por meio da combinao de ptica e aprendizado profundo para executar tarefas computacionais complexas, como classificao e reconstruo de imagens.

O processador consiste em uma pilha de camadas estruturadas, cada uma com milhares de pxeis. Cada pxel em cada camada projetado para funcionar como um neurnio artificial, que conectado aos neurnios das camadas seguintes por difrao ptica – a difrao o redirecionamento, ou espalhamento, da onda de luz quando ela encontra um obstculo.

Essas camadas, totalmente passivas, so usadas para controlar a luz de entrada e produzir a sada desejada. Para saber o que cada camada deve fazer, elas so treinadas usando ferramentas de aprendizado profundo, uma tcnica de inteligncia artificial. Quando tudo est pronto, a estrutura de camadas empilhadas funciona como um mdulo de processamento ptico autnomo, que requer apenas uma fonte de iluminao de entrada, fornecendo a sada do outro lado, na velocidade da luz.

Multiplexao de luz

No final do ano passado, uma equipe da Universidade da Califrnia de Los Angeles fez uma demonstrao prtica desse conceito de computao difrativa, com o processador de luz fazendo qualquer clculo na hora e sem gastar energia.

Naquela demonstrao, contudo, foram projetadas redes difrativas monocromticas, ou seja, a iluminao tinha que ter uma cor nica bem definida. Alm disso, o processador ptico implementava uma nica operao de transformao linear – essencialmente uma multiplicao de matrizes.

Agora, a mesma equipe demonstrou que possvel implementar muito mais transformaes lineares simultaneamente construindo redes policromticas, ou seja, com mltiplas cores de luz. Para isso, eles empregaram um esquema de multiplexao das cores, comprovando a viabilidade de usar um processador difrativo de banda larga para realizar operaes de transformao linear massivamente paralelas.

“Um processador ptico difrativo de banda larga tem campos de viso de entrada e sada com N_entrada e N_sada pxeis, respectivamente. Eles so conectados por sucessivas camadas difrativas estruturadas, feitas de materiais passivos transmissivos. Um grupo predeterminado de N_w comprimentos de onda discretos codifica as informaes de entrada e a sada. Cada comprimento de onda dedicado a uma funo de destino nica ou a uma transformao linear de valor complexo,” explicou o professor Aydogan Ozcan.

Computao ptica prtica

Este um passo importante para a computao ptica porque agora essas redes difrativas alcanaram uma versatilidade suficiente para se falar em aplicaes prticas, no apenas para o tratamento de imagens – classificao e aplicao de filtros, por exemplo -, mas tambm para sistemas de viso de mquina e processadores hiperespectrais, com uma gama de aplicaes que vo do desenvolvimento de novos materiais s imagens biomdicas.

“Essas transformaes podem ser atribudas especificamente para funes distintas, como classificao e segmentao de imagens, ou podem ser dedicadas computao de diferentes operaes de filtro convolucional ou camadas totalmente conectadas em uma rede neural. Todas essas transformaes lineares, ou funes desejadas, so executadas simultaneamente na velocidade da luz, onde cada funo desejada atribuda a um comprimento de onda exclusivo. Isso permite que o processador ptico de banda larga faa clculos com rendimento e paralelismo extremos,” finalizou Ozcan.

Outras notcias sobre:

Mais tópicos