Reconfigurable Photonic Quasi-Unitary Computing Hardware for Optical Signal Processing
यह शोध पत्र एक कॉम्पैक्ट, स्केलेबल और ऊर्जा-कुशल सिलिकॉन फोटोनिक क्वाज़ी-यूनिटरी डिवाइस प्रस्तुत करता है जो उच्च-प्रदर्शन वाले ऑप्टिकल सिग्नल प्रोसेसिंग और रिकरेंट न्यूरल नेटवर्क अनुप्रयोगों को सक्षम करने के लिए ऑन-चिप मैट्रिक्स कार्यान्वयन में पारंपरिक ट्रेड-ऑफ को दूर करता है।
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कंप्यूटिंग की दुनिया एक दीवार से टकरा रही है। दशकों से, हमारे इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की गति लगभग हर दो साल में दोगुनी होती रही है, जिसे मूर का नियम (Moore's Law) कहा जाता है। लेकिन जैसे-जैसे हमारे चिप्स के भीतर के नन्हे ट्रांजिस्टर छोटे और छोटे होते जा रहे हैं, वे भौतिक सीमाओं का सामना कर रहे हैं। वे इतने घने हो गए हैं कि उनमें अधिक घटकों को फिट करना मुश्किल है, और वे इतनी अधिक गर्मी पैदा कर रहे हैं कि बिना पिघले तेजी से नहीं चल सकते। डिजिटल दुनिया को गतिमान रखने के लिए, वैज्ञानिक सूचनाओं को प्रोसेस करने का एक नया तरीका खोज रहे हैं जो बिजली पर निर्भर न हो। वे प्रकाश की ओर मुड़ रहे हैं। प्रकाश बिजली की तुलना में तेज़ चलता है, एक साथ अधिक डेटा ले जा सकता है, और लगभग कोई गर्मी पैदा नहीं करता है। इंटीग्रेटेड फोटोनिक कंप्यूटिंग (integrated photonic computing) नामक यह क्षेत्र, ऐसे कंप्यूटर चिप्स बनाने का लक्ष्य रखता है जो गणना करने के लिए विद्युत धाराओं के बजाय प्रकाश की किरणों का उपयोग करते हैं। इसका लक्ष्य ऐसी मशीनें बनाना है जो आज के इलेक्ट्रॉनिक्स की ऊर्जा लागत और गति की सीमाओं के बिना आधुनिक आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस की भारी डेटा मांगों को संभाल सकें।
हालाँकि, चुनौती यह है कि एक छोटे से चिप के भीतर प्रकाश को नियंत्रित करना बेहद कठिन है। प्रकाश के साथ उपयोगी गणित करने के लिए, शोधकर्ताओं को एक विशिष्ट प्रकार का ऑपरेशन करना पड़ता है जिसे मैट्रिक्स मल्टीप्लिकेशन (matrix multiplication) कहा जाता है। प्रकाश की दुनिया में, इसका अर्थ है बीमों को इस तरह पुनर्व्यवस्थित करना कि वे किसी समस्या को हल करने के लिए एक सटीक तरीके से एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (interfere) करें। इसे करने का सबसे विश्वसनीय तरीका सूक्ष्म इंटरफेरोमीटर (interferometers) का एक ग्रिड उपयोग करना रहा है, जो ऐसे उपकरण हैं जो प्रकाश की बीमों को विभाजित और पुनर्संयोजित करते हैं। लेकिन इन ग्रिडों का निर्माण करना एक-एक करके ईंटों से गगनचुंबी इमारत बनाने जैसा है; जैसे-जैसे जटिल कार्यों को संभालने के लिए ग्रिड बड़ा होता जाता है, चिप असंभव रूप से बड़ी और निर्माण में कठिन हो जाती है। घटक बहुत अधिक जगह घेरते हैं, और आप जितने अधिक घटक जोड़ते हैं, उतनी ही अधिक संभावना होती है कि निर्माण में एक छोटी सी त्रुटि पूरी गणना को खराब कर देगी।
जेजियांग यूनिवर्सिटी और हुवावे टेक्नोलॉजीज के शोधकर्ताओं की एक टीम ने इस समस्या को हल करने का एक नया तरीका खोजा है। व्यक्तिगत घटकों का एक विशाल ग्रिड बनाने के बजाय, उन्होंने एक एकल, सघन उपकरण डिजाइन किया है जो इन जटिल गणनाओं को करने के लिए प्रकाश के प्राकृतिक विवर्तन (diffraction) व्यवहार का उपयोग करता है। वे इसे अपने आविष्कार को 'फोटोनिक क्वासी-यूनिटरी कंप्यूटिंग यूनिट' (photonic quasi-unitary computing unit) कहते हैं। यह उपकरण एक मानक सिलिकॉन चिप पर बना है और यह पुराने स्पेक्ट्रोमीटरों में पाए जाने वाले ग्रेटिंग्स का एक लघु संस्करण जैसा दिखता है, लेकिन एक महत्वपूर्ण मोड़ के साथ। यह वेवगाइड्स (waveguides) के एक विशेष विन्यास का उपयोग करता है, जो प्रकाश को निर्देशित करने वाले सूक्ष्म चैनल हैं, ताकि डेटा को कम संख्या में इनपुट चैनलों से एक बड़े, मध्यवर्ती स्थान में ले जाया जा सके, और फिर उसे वापस नीचे लाया जा सके। यह प्रक्रिया प्रकाश को इस तरह से मिश्रित और हस्तक्षेप करने की अनुमति देती है जिससे आवश्यक गणित बिना हजारों अलग घटकों की आवश्यकता के पूरा हो सके।
शोधकर्ताओं ने एक सिलिकॉन चिप पर इस उपकरण का एक भौतिक संस्करण बनाया। चिप का मुख्य भाग अविश्वसनीय रूप से छोटा है, जिसका माप केवल 0.65 मिलीमीटर द्वारा 2.15 मिलीमीटर है। इस नन्हे क्षेत्र के भीतर, वे एक ऐसी प्रणाली बनाने में सफल रहे जो एक साथ 32 अलग-अलग इनपुट संकेतों को संभाल सकती है। यह उपकरण आने वाले प्रकाश को 32 अलग-अलग पथों में विभाजित करके, उन्हें एक क्षेत्र से गुजारकर जहाँ वे विवर्तित और मिश्रित होते हैं, और फिर उन्हें पुनर्संयोजित करके काम करता है। मध्य भाग में सूक्ष्म हीटरों का उपयोग करके प्रकाश के चरण (phase) को समायोजित करके, शोधकर्ता अपने उपकरण को विभिन्न गणितीय कार्यों को करने के लिए पुन: प्रोग्राम कर सकते हैं। यह लचीलापन महत्वपूर्ण है। हालांकि यह उपकरण हर एक विवरण में एक पूर्ण "यूनिटरी" प्रणाली के सख्त गणितीय नियमों का पालन नहीं करता है, लेकिन यह अत्यधिक सटीक होने के लिए पर्याप्त करीब है और विभिन्न कार्यों के लिए पुनर्गठित होने की बहुत अधिक स्वतंत्रता प्रदान करता है।
यह जांचने के लिए कि क्या यह नया हार्डवेयर वास्तव में काम करता है, टीम ने इसका उपयोग एक 'फोटोनिक रिकरेंट न्यूरल नेटवर्क' (photonic recurrent neural network) बनाने के लिए किया। यह एक प्रकार का आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस है जो विशेष रूप से उस डेटा को संभालने में अच्छा है जो समय के साथ बदलता रहता है, जैसे कि भाषण या शेयर बाजार के रुझान। उन्होंने चिप को दो कठिन परीक्षणों से गुजारा। पहले, उन्होंने इसे मैकी-ग्लास (Mackey-Glass) श्रृंखला के रूप में ज्ञात एक अराजक टाइम-सीरीज सिग्नल की भविष्यवाणी करने के लिए कहा। यह एआई के लिए एक मानक परीक्षण है क्योंकि यह सिग्नल अप्रत्याशित और सूक्ष्म परिवर्तनों के प्रति संवेदनशील होता है। फोटोनिक चिप ने लगभग 0.0023 की त्रुटि दर के साथ अनुक्रम के अगले चरण की भविष्यवाणी की, जो कि एक ऐसा स्तर है जो अन्य फोटोनिक प्रणालियों की बराबरी करता है या उनसे बेहतर है। दूसरा, उन्होंने फाइबर ऑप्टिक केबलों के माध्यम से यात्रा करने वाले विकृत संकेतों को ठीक करने के लिए चिप का उपयोग किया। वास्तविक दुनिया के संचार में, सिग्नल अक्सर उन कांच के रेशों (fibers) द्वारा विकृत हो जाते हैं जिनसे वे गुजरते हैं। शोधकर्ताओं ने एक परिदृश्य का अनुकरण किया जहाँ 16 अलग-अलग डेटा चैनल अत्यधिक विकृत थे, जिसका बिट एरर रेट 0.9 था, जिसका अर्थ है कि डेटा लगभग पूरी तरह से बिगड़ा हुआ था। उनके नए चिप से गुजरने के बाद, त्रुटि दर घटकर 0.0018 रह गई, जिससे मूल संदेश प्रभावी रूप से बहाल हो गया।
इस कार्य के निहितार्थ केवल इन दो परीक्षणों से परे हैं। शोधकर्ताओं ने गणना की कि यदि वे अपने वर्तमान चिप में धीमे हीटिंग तत्वों को तेज़, उच्च-गति वाले मॉड्यूलेटर से बदल दें, तो यह उपकरण सैद्धांतिक रूप से प्रति सेकंड 102.4 ट्रिलियन ऑपरेशन कर सकता है। इसके अलावा, क्योंकि यह उपकरण अपनी गणनाओं के लिए प्रकाश और बहुत कम शक्ति का उपयोग करता है, यह 42.1 ट्रिलियन ऑपरेशन प्रति वाट की ऊर्जा दक्षता प्राप्त कर सकता है। यह एनवीडिया (NVIDIA) B100, जो कि एक अत्याधुनिक वाणिज्यिक इलेक्ट्रॉनिक कंप्यूटिंग चिप है, से एक क्रम (order of magnitude) अधिक है। यह डिज़ाइन मौजूदा विनिर्माण प्रक्रियाओं के साथ भी संगत है जिनका उपयोग सिलिकॉन चिप्स बनाने के लिए किया जाता है, जिसका अर्थ है कि इसे पूरी तरह से नए कारखानों की आवश्यकता के बिना बड़े पैमाने पर उत्पादित किया जा सकता है।
यह शोध ऑप्टिकल कंप्यूटर बनाने की दौड़ में एक महत्वपूर्ण कदम है। पारंपरिक, भारी घटकों के ग्रिड से हटकर और एक ऐसे डिज़ाइन को अपनाकर जो प्रकाश के प्राकृतिक प्रसार का उपयोग करता है, टीम ने दिखाया है कि एक छोटे से चिप पर शक्तिशाली, पुनर्गठित योग्य कंप्यूटिंग इकाइयाँ बनाना संभव है। उन्होंने प्रदर्शित किया है कि प्रकाश का उपयोग न केवल डेटा प्रसारित करने के लिए, बल्कि उच्च गति और कम ऊर्जा के साथ इसे सक्रिय रूप से प्रोसेस करने के लिए भी किया जा सकता है। हालांकि डिवाइस का वर्तमान संस्करण इसके हीटिंग नियंत्रणों की गति से सीमित है, अंतर्निहित आर्किटेक्चर यह सिद्ध करता है कि स्केलेबल, ऊर्जा-कुशल फोटोनिक कंप्यूटिंग का मार्ग खुला है। यह कार्य एक ऐसे भविष्य का सुझाव देता है जहाँ आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस का भारी काम प्रकाश द्वारा किया जा सकेगा, जिससे हमारी डिजिटल दुनिया को उन ताप और गति की सीमाओं से मुक्ति मिलेगी जो वर्तमान में इसे रोके हुए हैं।
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