پژوهشگران موفق به توسعه یک نورون مصنوعی مبتنی بر لیزر شده‌اند که به‌طور کامل عملکرد، پویایی و پردازش اطلاعات نورون‌های زیستی درجه‌بندی‌شده را شبیه‌سازی می‌کند. این نورون جدید با سرعت پردازش سیگنال ۱۰ گیگابود – یک میلیارد برابر سریع‌تر از همتایان زیستی خود – می‌تواند به پیشرفت‌های چشمگیری در حوزه‌هایی مانند هوش مصنوعی و سایر سیستم‌های محاسباتی پیشرفته منجر شود.
در بدن انسان، نورون‌های درجه‌بندی‌شده از تغییرات مداوم در پتانسیل غشایی برای پردازش اطلاعات استفاده می‌کنند و این قابلیت پردازش سیگنال‌های دقیق و ظریف را فراهم می‌کند. در مقابل، نورون‌های ضربانی اطلاعات را از طریق پالس‌های الکتریکی «همه یا هیچ» منتقل می‌کنند و ارتباطی دودویی‌تر ایجاد می‌کنند.
چاوران هوانگ (Chaoran Huang) از دانشگاه چینی هنگ‌کنگ و رهبر این تیم تحقیقاتی، اظهار داشت: «نورون لیزری درجه‌بندی‌شده ما محدودیت‌های سرعت نسخه‌های فوتونیکی فعلی نورون‌های ضربانی را برطرف کرده و پتانسیل عملکردی حتی سریع‌تری دارد.»
محققان در مجله Optica گزارش دادند که این نورون مبتنی بر تراشه لیزری کوانتوم-دات توانسته است به سرعت پردازش سیگنال ۱۰ گیگابود دست یابد. این فناوری قادر است داده‌های ۱۰۰ میلیون ضربان قلب یا ۳۴.۷ میلیون تصویر دیجیتال دست‌نویس را تنها در یک ثانیه پردازش کند.
هوانگ افزود: «فناوری ما می‌تواند فرآیند تصمیم‌گیری هوش مصنوعی را در کاربردهای حساس به زمان تسریع کند و در عین حال دقت بالایی را حفظ نماید. امیدواریم که ادغام این فناوری در دستگاه‌های محاسبات لبه‌ای (Edge Computing)، که داده‌ها را نزدیک به منبع پردازش می‌کنند، به توسعه سیستم‌های هوش مصنوعی سریع‌تر و هوشمندتر کمک کند و مصرف انرژی را به میزان قابل توجهی کاهش دهد.»
نورون‌های لیزری سریع‌تر: گامی به سوی پردازش فوق سریع اطلاعات
نورون‌های مصنوعی مبتنی بر لیزر، که قادر به پاسخ‌دهی به سیگنال‌های ورودی به شیوه‌ای مشابه با نورون‌های زیستی هستند، به‌عنوان راهکاری برای افزایش قابل‌توجه سرعت پردازش اطلاعات و کاهش مصرف انرژی در محاسبات مدرن مورد توجه قرار گرفته‌اند.
با این حال، بیشتر نورون‌های لیزری توسعه‌یافته تاکنون از نوع نورون‌های فوتونیکی ضربانی (Photonic Spiking Neurons) بوده‌اند. این نوع نورون‌های مصنوعی دارای محدودیت‌هایی هستند؛ از جمله:
این چالش‌ها مانع از دستیابی به حداکثر پتانسیل فناوری نورون‌های مصنوعی در حوزه‌هایی مانند هوش مصنوعی و محاسبات پیشرفته می‌شوند. توسعه نورون‌های لیزری سریع‌تر و کارآمدتر می‌تواند مسیر جدیدی را برای ایجاد سیستم‌های محاسباتی با کارایی بالا و مصرف انرژی بهینه باز کند.
محدودیت سرعت نورون‌های فوتونیکی ناشی از این است که آنها معمولاً با وارد کردن پالس‌های ورودی به بخش تقویت لیزر کار می‌کنند، که این باعث ایجاد تأخیر می‌شود و سرعت واکنش نورون را محدود می‌کند.
برای نورون لیزری تدریجی، محققان از رویکرد متفاوتی استفاده کرده‌اند، به‌طوری‌که سیگنال‌های فرکانس رادیویی را به بخش جذب اشباع لیزر نقطه کوانتومی وارد می‌کنند، که این تأخیر را برطرف می‌کند. آنها همچنین پدهای فرکانس رادیویی با سرعت بالا برای این بخش طراحی کرده‌اند تا سیستمی سریع‌تر، ساده‌تر و با کارایی انرژی بالاتر ایجاد کنند.
هوانگ گفت: “با اثرات حافظه قدرتمند و قابلیت‌های پردازش اطلاعات عالی، یک نورون لیزری تدریجی می‌تواند مانند یک شبکه عصبی کوچک عمل کند. بنابراین حتی یک نورون لیزری تدریجی بدون نیاز به اتصالات پیچیده می‌تواند وظایف یادگیری ماشینی را با عملکرد بالا انجام دهد.”
محاسبات مخزن با سرعت بالا
برای نشان دادن قابلیت‌های بیشتر نورون لیزری تدریجی، محققان از آن برای ایجاد یک سیستم محاسباتی مخزن استفاده کرده‌اند. این روش محاسباتی از نوع خاصی از شبکه به نام مخزن برای پردازش داده‌های وابسته به زمان مانند داده‌های شناسایی گفتار و پیش‌بینی وضعیت هوا استفاده می‌کند. دینامیک غیرخطی شبیه نورون و سرعت پردازش بالای نورون لیزری تدریجی آن را برای پشتیبانی از محاسبات مخزن با سرعت بالا ایده‌آل می‌سازد.
در آزمایش‌ها، سیستم محاسباتی مخزن حاصل عملکرد عالی در شناسایی الگو و پیش‌بینی توالی نشان داد، به‌ویژه در پیش‌بینی بلندمدت، در کاربردهای مختلف هوش مصنوعی با سرعت پردازش بالا. به‌عنوان مثال، این سیستم توانست 100 میلیون ضربان قلب در ثانیه پردازش کند و الگوهای آریتمی را با دقت متوسط 98.4 درصد شناسایی کند.
هوانگ گفت: “در این تحقیق، از یک نورون لیزری تدریجی استفاده کردیم، اما معتقدیم که اتصال چندین نورون لیزری تدریجی می‌تواند پتانسیل آنها را بیشتر باز کند، همان‌طور که مغز میلیاردها نورون را در شبکه‌های پیچیده به‌طور همزمان به کار می‌برد.”
وی افزود: “ما در حال کار بر روی بهبود سرعت پردازش نورون لیزری تدریجی خود هستیم و همچنین در حال توسعه یک معماری محاسباتی مخزن عمیق هستیم که نورون‌های لیزری تدریجی متصل‌شده را در بر می‌گیرد.”
لینک خبر:
https://techxplore.com/news/2024-12-laser-based-artificial-neuron-mimics.html
