Rozvoj umělé inteligence vyžaduje stále výkonnější technologie. S nimi roste i spotřeba energie – a ta je jedním z hlavních limitů dalšího vývoje. Právě na řešení této výzvy se zaměřuje tým výzkumníků z VUT v Brně vedený Filipem Ligmajerem, který v rámci grantu JUNIOR STAR zkoumá fotonické neuronové sítě.
Neuronová síť na světelném základu
Umělá inteligence, tak jak ji známe, funguje díky umělým neuronovým sítím. Právě díky nim dokáže generovat texty, rozpoznávat obličeje nebo třeba řídit auta. Tyto sítě běží na výkonných počítačích, které provádějí miliardy operací za vteřinu.
„Jenže současný způsob, jak tyto výpočty provádíme – tedy pomocí jedniček a nul v elektronických čipech – začíná narážet na své limity. Počítače musí být čím dál výkonnější, neuronové sítě větší a výpočty náročnější. To všechno stojí spoustu energie,“ vysvětluje Filip Ligmajer. Strmě rostoucí spotřeba elektřiny v datových centrech, kde probíhá trénink moderních AI modelů, vyvolává otázky ohledně udržitelnosti dalšího budoucího vývoje.
Jednou ze slibných cest se jeví nahrazení elektroniky fotonikou – tedy místo práce s elektrickým proudem využívat světlo. V čipech by se tak místo „teče/neteče proud“ přepínalo mezi „svítí/nesvítí světlo“ a místo klasických kovových drátků by byly v čipu tenké kanálky – vlnovody, kterými by proudilo světlo.
Světlo má totiž jednu zásadní výhodu: kmitá s větší frekvencí a může tedy přenášet více informací najednou. Tak vzniká koncept fotonických neuronových sítí, tedy sítí, které místo elektřiny pracují se světlem.
Nanostruktury z oxidu vanadičitého na skleněném substrátu. V každém z miniaturních čtverečků se nachází miliony různých testovacích nanostruktur, na nichž se ověřují teoretické předpovědi z numerických simulací
Klíčovou roli hrají modulátory
Aby taková síť fungovala, je potřeba světlo „ovládat“ – zapínat, vypínat, zpomalovat, měnit jeho intenzitu. K tomu slouží optické modulátory, tedy zařízení, která ovlivňují vlastnosti světla přímo na čipu. Právě na tyto modulátory se v podpořeném projektu tým Filipa Ligmajera zaměřuje – zkoumá různé způsoby, jak je vylepšit, aby byly rychlejší, úspornější a celkově efektivnější.
„Zabýváme se výzkumem speciálních materiálů, jejichž vlastnosti lze řídit například pomocí elektrického napětí nebo světla. Tyto materiály pak testujeme v extrémních podmínkách – například při působení ultrakrátkých světelných pulzů nebo ve formě nanostruktur integrovaných přímo na čipu. Naším cílem je porozumět tomu, jak se v těchto podmínkách chovají, a zjistit, zda by mohly sloužit jako základ pro vývoj nových, pokročilých modulátorů,“ vysvětluje Ligmajer.
Projekt se zaměří na zkoumání chování materiálů při působení ultrakrátkých světelných pulzů (kratších než pikosekundy) a na analýzu jevů, které nastávají, když tyto materiály vytvoří nanostruktury umístěné v blízkosti světelných vlnovodů. Zjištěné poznatky mohou mít uplatnění nejen ve vývoji fotonických čipů pro AI, ale i v dalších oblastech.
Vědecké osamostatnění a odpovědnost
Projekt JUNIOR STAR umožnil řešiteli vybudovat vlastní výzkumný tým, který se zaměřuje na zcela nové téma. „Vést takový projekt a vlastní výzkumnou skupinu je velká zodpovědnost – nejen vůči kolegům a univerzitě samotné, ale také protože pracujeme s drahým vybavením, složitými přístroji a vzácnými materiály. Každé selhání nás stojí spoustu času i prostředků,“ říká řešitel upřímně.
Zároveň ale přiznává, že se těší na to, co výzkum přinese: „Těším se, co se dozvíme o zkoumaných materiálech. Jak se budou chovat v podmínkách, které jsme jim připravili,“ a doufá, že jednou i v běžných mobilních telefonech najdeme čipy, které budou kromě elektrického proudu pracovat také se světlem – i díky jeho přispění.
Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.
Filip Ligmajer působí na Fakultě strojního inženýrství Vysokého učení technického v Brně a také ve výzkumném centru CEITEC. Mezi hlavní oblasti jeho odborného zájmu patří laditelná nanofotonika, plasmonika a materiály s fázovou změnou. Své odborné znalosti a mezinárodní zkušenosti rozvíjel během tří zahraničních stáží na prestižních pracovištích v Hongkongu, Londýně a Sydney. Věnuje se také výuce studentů v bakalářských i magisterských studijních programech.
