Penn Engineers ha desarrollado un nuevo chip que utiliza ondas de luz, en lugar de electricidad, para realizar operaciones matemáticas complejas esenciales para entrenar la IA. El chip tiene el potencial de acelerar radicalmente la velocidad de procesamiento de las computadoras y al mismo tiempo reducir su consumo de energía.
El diseño del chip de silicio fotónico (SiPh) es el primero en reunir la investigación pionera del profesor Nader Engheta, ganador de la medalla Benjamin Franklin y H. Nedwill Ramsey, en la manipulación de materiales a nanoescala para realizar cálculos matemáticos utilizando la luz, el medio de comunicación más rápido posible, con la plataforma SiPh, que utiliza silicio, el elemento barato y abundante utilizado para producir en masa chips de ordenador.
La interacción de las ondas de luz con la materia representa una posible vía para desarrollar computadoras que superen las limitaciones de los chips actuales, que se basan esencialmente en los mismos principios que los chips de los primeros días de la revolución informática en la década de 1960.
En un artículo publicado en Nature Photonics, el grupo de Engheta, junto con el de Firooz Aflatouni, profesor asociado de Ingeniería Eléctrica y de Sistemas, describe el desarrollo del nuevo chip.
“Decidimos unir fuerzas“, afirma Engheta, aprovechando el hecho de que el grupo de investigación de Aflatouni ha sido pionero en dispositivos de silicio a nanoescala.
Su objetivo era desarrollar una plataforma para realizar lo que se conoce como multiplicación de matrices vectoriales, una operación matemática central en el desarrollo y funcionamiento de redes neuronales, la arquitectura informática que impulsa las herramientas de inteligencia artificial actuales.
En lugar de utilizar una oblea de silicio de altura uniforme, explica Engheta, “se hace el silicio más delgado, digamos 150 nanómetros“, pero sólo en regiones específicas.
Esas variaciones de altura, sin la adición de ningún otro material, proporcionan un medio para controlar la propagación de la luz a través del chip, ya que las variaciones de altura se pueden distribuir para causar que la luz se disperse en patrones específicos, permitiendo que el chip realice cálculos matemáticos a la velocidad de la luz.
Debido a las limitaciones impuestas por la fundición comercial que produjo los chips, dice Aflatouni, este diseño ya está listo para aplicaciones comerciales y podría adaptarse potencialmente para su uso en unidades de procesamiento de gráficos (GPU), cuya demanda se ha disparado con el interés generalizado por desarrollar nuevos sistemas de IA.
“Pueden adoptar la plataforma Silicon Photonics como complemento“, dice Aflatouni, “y luego podrían acelerar el entrenamiento y la clasificación“.
Además de una velocidad más rápida y un menor consumo de energía, el chip de Engheta y Aflatouni tiene ventajas de privacidad: debido a que muchos cálculos pueden ocurrir simultáneamente, no habrá necesidad de almacenar información confidencial en la memoria de trabajo de una computadora, lo que hará que una futura computadora impulsada por dicha tecnología sea prácticamente imposible de piratear.
“Nadie puede piratear una memoria inexistente para acceder a su información“, afirma Aflatouni.
Este estudio se llevó a cabo en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania y fue apoyado en parte por una subvención de la Iniciativa de Investigación Universitaria Multidisciplinaria (MURI) de la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea de los EE. UU. (AFOSR) para Engheta (FA9550-21-1- 0312) y una subvención de la Oficina de Investigación Naval de EE. UU. (ONR) para Afaltouni (N00014-19-1-2248).
Otros coautores incluyen a Vahid Nikkhah, Ali Pirmoradi, Farshid Ashtiani y Brian Edwards de Penn Engineering.
