کشف راهکاری موثر برای کاهش مصرف انرژی هوش مصنوعی

رشد سریع سامانه‌های هوش مصنوعی مولد منجر به افزایش چشمگیر مصرف برق مراکز داده شده است به‌گونه‌ای که پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۳۰ این مصرف تقریباً سه برابر شود و به حدود ۹۴۵ تراوات‌ساعت برسد؛ رقمی معادل سه برابر مجموع مصرف برق کشورهای پاکستان، بنگلادش و نیجریه. این مسئله نه تنها چالش‌های زیست‌محیطی جدی ایجاد کرده، بلکه به دلیل گرمای تولیدی تراشه‌های الکترونیکی، نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده پرمصرف آب و برق را نیز به شدت افزایش داده است.

به گزارش سیناپرس، تیمی از پژوهشگران دانشگاه پلی‌تکنیک مونترال با شناسایی یک ماده آلی نوین، گام مهمی در ارتقای کارایی تراشه‌های فوتونیکی برداشته‌اند. این دستاورد علمی امکان بهبود قابل توجه عملکرد پردازش نوری را بدون نیاز به تغییرات اساسی در زیرساخت‌های موجود فراهم کرده و می‌تواند به کاهش چشمگیر مصرف انرژی در مراکز داده و سامانه‌های هوش مصنوعی مولد کمک نماید.

استفان کنا-کوهن (Stéphane Kéna-Cohen)، سرپرست این تیم تحقیقاتی، محدودیت اصلی فناوری‌های کنونی را به توان پردازشی تراشه‌های الکترونیکی نسبت داده و در این رابطه توضیح می‌دهد که از سال ۲۰۰۵ تاکنون، فناوری های پردازش اطلاعات برای افزایش قدرت محاسباتی، بر افزایش تعداد ترانزیستورها و مقیاس تراشه‌ها تکیه کرده است؛ اما با بزرگ‌تر شدن تراشه‌ها، ارتباطات داخلی میان اجزای آن‌ها با چالش‌های جدی سرعت و کارایی مواجه شده است.

راه‌حل پیشنهادی، بهره‌گیری از نور به عنوان عامل انتقال اطلاعات میان اجزای تراشه است که بر پایه فناوری تراشه‌های فوتونیکی عمل می‌کند.

در حال حاضر، حجم عظیمی از داده‌ها شامل ایمیل‌ها، ویدئوها و درخواست‌های هوش مصنوعی از طریق شبکه‌های فیبر نوری و به صورت پالس‌های نوری منتقل  شده و تراشه‌های فوتونیکی مسئولیت هدایت و پردازش این سیگنال‌های نوری را بر عهده دارند.

با این حال، تراشه‌های فوتونیکی موجود نیز محدودیت‌هایی دارند. برای مثال هر درخواست به سامانه‌هایی مانند چت جی پی تی نیازمند چندین دور تبادل داده میان اجزای مختلف است که مستلزم تبدیل‌های مکرر میان سیگنال‌های الکترونیکی و نوری می‌باشد. این تبدیل‌ها کارایی کلی سیستم را به طور قابل توجهی کاهش می‌دهند.

ماده آلی جدید شناسایی‌شده توسط این تیم پژوهشی، قابلیت نصب مستقیم بر روی تراشه‌های سیلیکونی را داراست و امکان انجام عملیات پیشرفته نوری را بدون تبدیل‌های مکرر فراهم می‌کند. این مولکول آلی تعامل مستقیم پرتوهای نور با یکدیگر را درون ماده ممکن می‌سازد و قابلیت‌هایی همچون تقویت، پردازش سیگنال‌های نوری را مستقیماً بر روی تراشه محقق می‌سازد.

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های این فناوری، سازگاری کامل آن با فرآیندهای استاندارد تولید تراشه است. این ماده به صورت لایه‌ای نازک بر روی تراشه‌های فوتونیکی موجود اعمال شده و نیازی به بازطراحی یا تغییر مواد پایه تراشه ندارد. این لایه می‌تواند در مراحل پایانی فرآیند ساخت اضافه شود و قابلیت‌های نوینی را به تراشه اعطا کند.

پژوهشگران بر این باورند که این رویکرد می‌تواند مبنایی برای نسل جدیدی از اجزای فوتونیکی فراهم آورد که در زمینه رمزگذاری اطلاعات، تقویت سیگنال و تولید الگوهای پیچیده نوری کاربرد خواهند داشت.

به باور متخصصین، اهمیت این پیشرفت در شرایطی برجسته‌تر می‌شود که گزارش‌های بین‌المللی، از جمله هشدارهای مؤسسه‌های مرتبط با سازمان ملل، بر افزایش شدید مصرف آب و برق مراکز داده تا سال ۲۰۳۰ تأکید دارند. پیش‌بینی‌ها نشان می‌دهد مصرف برق این مراکز تا سال ۲۰۳۰ تقریباً سه برابر شود و به حدود ۹۴۵ تراوات‌ساعت برسد.

کنا-کوهن اشاره می‌کند که تراشه‌های الکترونیکی سنتی گرمای قابل توجهی تولید می‌کنند و نیازمند سیستم‌های خنک‌کننده پرمصرف هستند، در حالی که پردازش نوری گرمای ناچیزی ایجاد می‌کند و تنها انرژی اولیه برای تولید سیگنال نوری مصرف می‌شود. بنابراین، انتقال هرچه بیشتر عملیات محاسباتی به حوزه نوری، پتانسیل کاهش قابل ملاحظه مصرف انرژی را به همراه خواهد داشت.

گفتنی است این فناوری در مرحله آزمایشگاهی بوده و هنوز به مرحله تجاری‌سازی نرسیده است. تیم پژوهشی در حال حاضر تنها بخش کوچکی از ظرفیت بالقوه آن را بهره‌برداری کرده و هدف‌گذاری کرده است تا در یک تا دو سال آینده عملکرد را به طور قابل توجهی ارتقا دهد. در افق کوتاه‌مدت، بهبود ارتباطات میان تراشه‌های الکترونیکی موجود مد نظر است و در بلندمدت، جایگزینی اجزای پرمصرف با فناوری‌های مبتنی بر نور پیگیری خواهد شد.

شرح کامل این پژوهش در  آخرین شماره مجله علمی Science Advances منتشر شده است.

مترجم: فاطمه کردی