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       人工智能領(lǐng)域的專家長(zhǎng)期以來(lái)的目標(biāo)是構(gòu)建具有與人類智力相當(dāng)?shù)腁I系統(tǒng)，這需要高性能的硬件。目前進(jìn)行大規(guī)模應(yīng)用與研究的AI模型大多依賴于半導(dǎo)體芯片，為了加速計(jì)算效率、增強(qiáng)計(jì)算能力，一部分科學(xué)家正試圖將光學(xué)器件與硅芯片相結(jié)合，因制造過(guò)程受到物理限制和實(shí)際問(wèn)題的困擾。

      為構(gòu)建下一代人工智能系統(tǒng)，近日，美國(guó)科羅拉多州國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所（NIST）的工程師兼研究員Jeffrey Shainline呼吁AI領(lǐng)域的科學(xué)家放棄使用半導(dǎo)體硬件，轉(zhuǎn)為采用超導(dǎo)體硬件進(jìn)行模型開(kāi)發(fā)。在他的觀點(diǎn)性論文中，提出了一種結(jié)合光學(xué)器件和超導(dǎo)體的新型通用人工智能（AGI）硬件，并探究了用其進(jìn)行大規(guī)模研究的可能性。

       相關(guān)概念以及討論于4月20日以「光電智能」（Optoelectronic intelligence）為題發(fā)表在《應(yīng)用物理快報(bào)》（Applied Physics Letters）雜志上。

       大腦通過(guò)許多復(fù)雜的專用處理器的連通與計(jì)算實(shí)現(xiàn)通用智能。類似地，如果本地處理器可以通過(guò)全局通信從其專用計(jì)算元件中收集信息，那么通用人工智能硬件的性能將達(dá)到。電子擅長(zhǎng)計(jì)算，光適合通信，基于二者的特性，研究人員希望能夠開(kāi)發(fā)出經(jīng)濟(jì)高效的光電集成電路。

       從突觸電路開(kāi)始，到晶元集成，再到與光纖互連的系統(tǒng)，一直到可能達(dá)到的人腦規(guī)模的AGI系統(tǒng)，作者對(duì)光電集成硬件相關(guān)概念進(jìn)行了概述。

       經(jīng)過(guò)一番嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶接?，Shainline提出：「通過(guò)在4K（開(kāi)爾文）的低溫下使用并運(yùn)行超導(dǎo)電子電路、單光子探測(cè)器和硅光源，我們將開(kāi)辟一條通往豐富的計(jì)算功能和可大規(guī)模制造的道路?！?/p>

光電結(jié)合

       在硅電子器件中，單個(gè)設(shè)備向其他許多設(shè)備提供電流是不可行的，必須使用共享的通信網(wǎng)絡(luò)。但是，許多神經(jīng)元必須同時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，隨著數(shù)量的增長(zhǎng)，通信就會(huì)達(dá)到限制。減輕通信限制的一種方法是使用光學(xué)器件。并且，通過(guò)對(duì)光信號(hào)的幅度和相位進(jìn)行編碼，可以增加存儲(chǔ)。

       Shainline指出：「光學(xué)器件和電子器件的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)跨時(shí)空尺度的通信和計(jì)算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單獨(dú)使用二者之一所能實(shí)現(xiàn)的范圍?！?/p>

       脈沖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與大腦的神經(jīng)系統(tǒng)接近。因此，作者類比提出了一種利于AGI大規(guī)模實(shí)施的特定方法，該方法將波導(dǎo)集成的光源和單光子探測(cè)器結(jié)合起來(lái)用于通信，并將Josephson電路充當(dāng)突觸、樹(shù)突、神經(jīng)元用于計(jì)算。這些光電網(wǎng)絡(luò)最小為100 nm，但可以延伸至數(shù)千米；神經(jīng)元之間的間隔為50 ns，而突觸的通信在50 ps的時(shí)間尺度上，從而可以實(shí)現(xiàn)跨時(shí)空的信息處理和存儲(chǔ)。

圖示：(a)光電神經(jīng)元。黑色直線代表電子連接，藍(lán)色波浪線代表光子連接；S表示突觸、D表示樹(shù)突、N表示神經(jīng)元細(xì)胞體、T表示發(fā)射器。(b)光子連接的模塊化分層網(wǎng)絡(luò)。

超導(dǎo)體替代半導(dǎo)體

       使用超導(dǎo)體有三個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是超導(dǎo)單光子檢測(cè)器極大地降低了光源所需的亮度；二是免去了MOSFET需要高溫退火的工藝挑戰(zhàn)；三是超導(dǎo)集成電路中單電子用于計(jì)算、單光子用于通信，信號(hào)的不同實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)和存儲(chǔ)的互不干擾。

       通常，半導(dǎo)體可以檢測(cè)到不少于1,000個(gè)光子的光輸入。但是，超導(dǎo)體可以在低得多的能量水平下運(yùn)行。Shainline對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果感到十分驚訝：「與在室溫下工作和使用半導(dǎo)體相比，在低溫下工作和使用超導(dǎo)體的光電集成電路要容易得多。」

       該研究還提供了將光學(xué)器件與超導(dǎo)電子器件集成在一起的電路圖。

圖示：光電超導(dǎo)神經(jīng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

低溫是否合理

       對(duì)于許多讀者而言，低溫操作的要求是該研究最令人不安的方面。但是，Shainline的提議并不是讓在手機(jī)等日常設(shè)備中進(jìn)行使用，而是在高功率計(jì)算系統(tǒng)的構(gòu)造中考慮超導(dǎo)硬件?！腹怆姵瑢?dǎo)硬件為AI帶來(lái)的性能是無(wú)法通過(guò)其他物理手段實(shí)現(xiàn)的。性能將證明低溫運(yùn)行是合理的。」

Shainline表示，他會(huì)在未來(lái)的實(shí)驗(yàn)研究中去進(jìn)一步證明光電超導(dǎo)硬件的可行性與能力。

Shainline還認(rèn)為，光電超導(dǎo)集成電路還可以幫助創(chuàng)建基于超導(dǎo)和光子量子位的可擴(kuò)展量子技術(shù)。這樣的神經(jīng)-量子混合系統(tǒng)可能會(huì)創(chuàng)造出利用脈沖神經(jīng)元與量子糾纏力量的新方法。

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