Στη σημερινή ψηφιακή εποχή, οι υπολογιστικές εργασίες γίνονται όλο και πιο περίπλοκες. Αυτό, με τη σειρά του, οδήγησε σε μια εκθετική αύξηση της ενέργειας που καταναλώνουν οι ψηφιακοί υπολογιστές. Επομένως, είναι απαραίτητο να αναπτυχθούν πόροι υλικού που μπορούν να εκτελέσουν υπολογιστές μεγάλης κλίμακας με γρήγορο και ενεργειακά αποδοτικό τρόπο.

Από την άποψη αυτή, , που χρησιμοποιούν φως αντί για ηλεκτρισμό για την εκτέλεση υπολογισμών, είναι πολλά υποσχόμενα. Μπορούν ενδεχομένως να παρέχουν χαμηλότερη καθυστέρηση και μειωμένη κατανάλωση ενέργειας, επωφελούμενοι από τον παραλληλισμό που έχει  έχω. Ως αποτέλεσμα, οι ερευνητές έχουν εξερευνήσει διάφορα σχέδια οπτικών υπολογιστών.

Για παράδειγμα, ένα διαθλαστικό οπτικό  έχει σχεδιαστεί μέσω του συνδυασμού οπτικής και βαθιάς μάθησης για την οπτική εκτέλεση σύνθετων υπολογιστικών εργασιών όπως η ταξινόμηση και η ανακατασκευή εικόνων. Αποτελείται από μια στοίβα δομημένων διαθλαστικών στρωμάτων, καθένα από τα οποία έχει χιλιάδες διαθλαστικά χαρακτηριστικά/νευρώνες. Αυτά τα παθητικά στρώματα χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των αλληλεπιδράσεων φωτός-ύλης για τη διαμόρφωση του φωτός εισόδου και την παραγωγή της επιθυμητής εξόδου. Οι ερευνητές εκπαιδεύουν το διαθλαστικό δίκτυο βελτιστοποιώντας το προφίλ αυτών των στρωμάτων χρησιμοποιώντας  εργαλεία. Μετά την κατασκευή του σχεδίου που προκύπτει, αυτό το πλαίσιο λειτουργεί ως αυτόνομη μονάδα οπτικής επεξεργασίας που απαιτεί μόνο μια πηγή φωτισμού εισόδου για να τροφοδοτηθεί.

Μέχρι στιγμής, οι ερευνητές έχουν σχεδιάσει επιτυχώς μονοχρωματικά (φωτισμός απλού μήκους κύματος) περιθλαστικά δίκτυα για την υλοποίηση μιας ενιαίας γραμμικής  Λειτουργία (πολλαπλασιασμός μήτρας). Είναι όμως δυνατόν να υλοποιηθούν πολλοί περισσότεροι γραμμικοί μετασχηματισμοί ταυτόχρονα; Η ίδια ερευνητική ομάδα του UCLA που εισήγαγε για πρώτη φορά τα οπτικά δίκτυα περιθλάσεως έχει αντιμετωπίσει πρόσφατα αυτό το ερώτημα. Σε πρόσφατη μελέτη που δημοσιεύτηκε στο Προηγμένη Φωτονική, χρησιμοποίησαν ένα σχήμα πολυπλεξίας μήκους κύματος σε ένα διαθλαστικό οπτικό δίκτυο και έδειξαν τη σκοπιμότητα χρήσης ενός ευρυζωνικού περιθλαστικού  να εκτελέσει μαζικά παράλληλες πράξεις γραμμικού μετασχηματισμού.

Ο καθηγητής του Καγκελαρίου του UCLA, Aydogan Ozcan, ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας στη Σχολή Μηχανικών Samueli, περιγράφει εν συντομία την αρχιτεκτονική και τις αρχές αυτού του οπτικού επεξεργαστή: «Ένας οπτικός επεξεργαστής ευρυζωνικής περιθλάσεως έχει οπτικό πεδίο εισόδου και εξόδου με Ni και Νo pixel, αντίστοιχα. Συνδέονται με διαδοχικά δομημένα διαθλαστικά στρώματα, κατασκευασμένα από παθητικά μεταδοτικά υλικά. Μια προκαθορισμένη ομάδα Νw διακριτά μήκη κύματος κωδικοποιεί τις πληροφορίες εισόδου και εξόδου. Κάθε μήκος κύματος είναι αφιερωμένο σε μια μοναδική συνάρτηση στόχο ή γραμμικό μετασχηματισμό μιγαδικών τιμών», εξηγεί.

«Αυτοί οι μετασχηματισμοί στόχων μπορούν να αντιστοιχιστούν ειδικά για διακριτές λειτουργίες όπως ταξινόμηση και τμηματοποίηση εικόνων ή μπορούν να αφιερωθούν στον υπολογισμό διαφορετικών λειτουργιών συνελικτικού φίλτρου ή πλήρως συνδεδεμένων επιπέδων σε ένα νευρωνικό δίκτυο. Όλοι αυτοί οι γραμμικοί μετασχηματισμοί ή οι επιθυμητές συναρτήσεις εκτελούνται ταυτόχρονα με την ταχύτητα του φωτός, όπου κάθε επιθυμητή συνάρτηση εκχωρείται σε ένα μοναδικό μήκος κύματος. Αυτό επιτρέπει στον ευρυζωνικό οπτικό επεξεργαστή να υπολογίζει με εξαιρετική απόδοση και παραλληλισμό.»

Οι ερευνητές απέδειξαν ότι ένας τέτοιος σχεδιασμός οπτικού επεξεργαστή πολλαπλής μήκους κύματος μπορεί να προσεγγίσει το Νw μοναδικοί γραμμικοί μετασχηματισμοί με αμελητέο σφάλμα όταν ο συνολικός αριθμός των περιθλατικών χαρακτηριστικών N είναι μεγαλύτερος ή ίσος με 2NwNiNo. Το συμπέρασμα αυτό επιβεβαιώθηκε για τον Νw > 180 διακριτοί μετασχηματισμοί μέσω  και ισχύει για υλικά με διαφορετικές ιδιότητες διασποράς. Επιπλέον, η χρήση ενός μεγαλύτερου Ν (3ΝwNiNo) αυξημένο Νw πέρα από περίπου 2000 μοναδικούς μετασχηματισμούς που εκτελούνται όλοι οπτικά παράλληλα.

Όσον αφορά τις προοπτικές αυτού του νέου σχεδιασμού υπολογιστών, ο Ozcan λέει, «Τέτοιοι μαζικά παράλληλοι, πολυπλεξικοί επεξεργαστές μήκους κύματος θα είναι χρήσιμοι για το σχεδιασμό ευφυών συστημάτων μηχανικής όρασης υψηλής απόδοσης και υπερφασματικών επεξεργαστών και θα μπορούσαν να εμπνεύσουν πολυάριθμες εφαρμογές σε διάφορα πεδία, συμπεριλαμβανομένης της βιοϊατρικής απεικόνισης. Τηλεπισκόπηση, αναλυτική χημεία και επιστήμη των υλικών».

πηγή: Επεξεργαστής περίθλασης που έχει σχεδιαστεί για βαθιά μάθηση υπολογίζει εκατοντάδες μετασχηματισμούς παράλληλα

Μεταφράζω "