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       人工智能領(lǐng)域的專家長期以來的目標(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，為了加速計算效率、增強(qiáng)計算能力，一部分科學(xué)家正試圖將光學(xué)器件與硅芯片相結(jié)合，因制造過程受到物理限制和實際問題的困擾。

      為構(gòu)建下一代人工智能系統(tǒng)，近日，美國科羅拉多州國家標(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》（Applied Physics Letters）雜志上。

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

       從突觸電路開始，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)，作者對光電集成硬件相關(guān)概念進(jìn)行了概述。

       經(jīng)過一番嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶接?，Shainline提出：「通過在4K（開爾文）的低溫下使用并運(yùn)行超導(dǎo)電子電路、單光子探測器和硅光源，我們將開辟一條通往豐富的計算功能和可大規(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)元必須同時通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，隨著數(shù)量的增長，通信就會達(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，通過對光信號的幅度和相位進(jìn)行編碼，可以增加存儲。

       Shainline指出：「光學(xué)器件和電子器件的結(jié)合可以實現(xiàn)跨時空尺度的通信和計算，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了單獨(dú)使用二者之一所能實現(xiàn)的范圍。」

       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)模實施的特定方法，該方法將波導(dǎo)集成的光源和單光子探測器結(jié)合起來用于通信，并將Josephson電路充當(dāng)突觸、樹突、神經(jīng)元用于計算。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的時間尺度上，從而可以實現(xiàn)跨時空的信息處理和存儲。

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)體有三個優(yōu)勢：一是超導(dǎo)單光子檢測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算、單光子用于通信，信號的不同實現(xiàn)學(xué)習(xí)和存儲的互不干擾。

       通常，半導(dǎo)體可以檢測到不少于1,000個光子的光輸入。但是，超導(dǎo)體可以在低得多的能量水平下運(yùn)行。Shainline對實驗結(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?！?/p>

       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帶來的性能是無法通過其他物理手段實現(xiàn)的。性能將證明低溫運(yùn)行是合理的?！?/p>

Shainline表示，他會在未來的實驗研究中去進(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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