A ottant’anni da quando la University of Pennsylvania ha regalato al mondo l’ENIAC, il primo computer elettronico general-purpose, i ricercatori dello stesso istituto stanno lavorando a qualcosa che potrebbe ridefinire il calcolo al suo livello più fondamentale. Non rendendo i chip più veloci nel senso convenzionale, ma ripensando innanzitutto a ciò che trasporta le informazioni al loro interno.
La proposta: sostituire gli elettroni con la luce.
Perché l’hardware che alimenta l’IA di oggi sta incontrando un muro
Ogni computer costruito a partire dall’ENIAC, dallo smartphone che abbiamo in tasca ai data center che eseguono grandi modelli di IA, funziona sullo stesso principio di base. Gli elettroni si muovono attraverso i materiali, e quel movimento codifica ed elabora le informazioni. Ha funzionato straordinariamente bene per decenni. Ma gli elettroni trasportano una carica elettrica, e quella carica crea problemi che si amplificano man mano che i sistemi diventano più complessi.
Man mano che gli elettroni si muovono attraverso i materiali dei chip, generano calore e incontrano resistenza. L’energia viene sprecata. Su scala dei moderni sistemi di IA, che elaborano continuamente enormi volumi di dati, queste perdite non sono trascurabili. I limiti fisici dell’hardware basato su elettroni stanno diventando sempre più difficili da aggirare a livello ingegneristico, e le richieste energetiche dell’IA stanno accelerando più velocemente di quanto la progettazione convenzionale dei chip riesca a gestire.
È in questo contesto che il calcolo fotonico, l’idea di utilizzare particelle di luce chiamate fotoni al posto degli elettroni, ha attirato una seria attenzione scientifica.
La particella che unisce due mondi
I fotoni hanno proprietà che li rendono interessanti per il calcolo. Come spiega Li He, co-primo autore di uno studio pubblicato su Physical Review Letters ed ex ricercatore post-doc presso il Zhen Lab della Penn: i fotoni sono privi di carica elettrica e hanno massa a riposo pari a zero, il che consente loro di trasportare informazioni rapidamente su lunghe distanze con una perdita di energia minima. È per questo che la luce domina già la tecnologia delle comunicazioni.
Il problema è il rovescio della medaglia di queste stesse proprietà. Poiché i fotoni interagiscono a malapena con l’ambiente circostante, faticano a compiere le operazioni di commutazione da cui dipende il calcolo. Un sistema in grado di trasportare informazioni in modo efficiente ma non di prendere decisioni con esse non è ancora un computer.
Questo è ciò che rende significativo il lavoro del fisico Bo Zhen e del suo team presso la School of Arts and Sciences della Penn. Il loro approccio non si limita a usare la luce al posto degli elettroni. Crea un nuovo tipo di particella che combina le proprietà di entrambi.
La particella si chiama eccitone-polaritone. Si forma quando i fotoni sono fortemente accoppiati con gli elettroni all’interno di un materiale semiconduttore dallo spessore atomico. Il risultato è una quasi-particella che conserva l’efficienza della luce nel trasportare informazioni, acquisendo al contempo un’interazione sufficiente con l’ambiente per eseguire la logica di commutazione richiesta dal calcolo.
Il team ha dimostrato una commutazione interamente ottica utilizzando circa 4 quadrillionesimi di joule di energia. Vale la pena soffermarsi su questo dato: è un valore di gran lunga inferiore all’energia richiesta per alimentare brevemente un piccolo LED. La commutazione è avvenuta senza riconvertire i segnali luminosi in segnali elettronici, che è esattamente il passaggio di conversione che attualmente limita i chip IA fotonici.
Ecco cosa sfugge alla maggior parte delle analisi sul calcolo fotonico: molti chip IA fotonici sperimentali utilizzano già la luce per determinati calcoli. Il collo di bottiglia non è costituito dalle parti veloci e lineari del calcolo. Si tratta piuttosto dei passaggi di attivazione non lineare, le operazioni decisionali, in cui i sistemi fotonici esistenti devono ricorrere all’elettronica. Tale conversione rallenta l’elaborazione e aumenta il consumo energetico, vanificando in parte i vantaggi iniziali dell’uso della luce. Gli eccitoni-polaritoni rappresentano una soluzione proposta a questo specifico problema.
Cosa significa questo oltre il laboratorio
Le implicazioni, se la tecnologia potrà essere scalata, si estendono in diverse direzioni.
I sistemi di IA figurano tra i carichi di lavoro computazionali a più alto consumo energetico mai creati. La capacità di eseguire una quota maggiore di tali calcoli nel dominio fotonico, senza ripetute conversioni tra luce ed elettricità, potrebbe ridurre sostanzialmente la richiesta di energia delle grandi infrastrutture di IA. Questo è importante non solo per i costi, ma anche per la questione più ampia di come le società sosterranno lo sviluppo dell’IA man mano che questa cresce.
I ricercatori della Penn indicano anche un’applicazione più immediata: chip fotonici capaci di elaborare le informazioni direttamente dalle fotocamere senza passaggi di conversione. I sistemi di IA basati sulla visione artificiale, fondamentali per la robotica, i veicoli autonomi e l’imaging medico, richiedono attualmente che i dati luminosi in ingresso vengano convertiti in segnali elettronici prima che l’elaborazione abbia inizio. Un chip che lavora nativamente nel dominio fotonico potrebbe gestire questo processo in modo molto più efficiente.
La ricerca si orienta anche verso il calcolo quantistico. Gli eccitoni-polaritoni potrebbero potenzialmente supportare funzioni quantistiche di base sui chip del futuro, sebbene tale applicazione rimanga più lontana da un’implementazione pratica.
Il lavoro è stato sostenuto dall’US Office of Naval Research e dalla Sloan Foundation. Tra gli altri autori figurano Zhi Wang e Bumho Kim della School of Arts and Sciences della Penn. Li He, che ha co-diretto la ricerca, è ora assistant professor presso la Montana State University.
In sintesi
Gli elettroni alimentano l’informatica dai tempi dell’ENIAC. Stanno raggiungendo limiti fisici che hanno l’impatto maggiore soprattutto sull’IA. I fotoni trasportano le informazioni in modo efficiente, ma non possono eseguire la logica di commutazione richiesta dai computer. I ricercatori della Penn hanno creato una particella ibrida, l’eccitone-polaritone, che combina le proprietà di entrambi, consentendo una commutazione interamente ottica a livelli di energia straordinariamente bassi. Se questo approccio risulterà scalabile, potrebbe ridurre il costo energetico dei sistemi di IA e rimuovere un collo di bottiglia fondamentale nella progettazione dei chip fotonici. La fisica è nuova. Il problema che affronta è urgente.
Basato su un articolo di ScienceDaily AI.