SciTechDaily

ניקולס

שבב פוטו מהיר במיוחד הופך את ראיית המכונה ואינטליגנציה של קצה

חוקרים פיתחו שבב חישה פוטוני אינטליגנטי חדש שיכול לעבד, לשדר ולשחזר תמונות של סצנה בתוך ננו-שניות. קרדיט: Wei Wu, University Tsinghua

חוקרים יצרו שבב פוטוני המסוגל לעבד תמונות במהירויות ננו-שניות, מהר משמעותית מהשיטות הנוכחיות. שבב זה משפר את אינטליגנציה של קצה על ידי שילוב ניתוח בינה מלאכותית ישירות בעיבוד אופטי, מה שעלול לשנות יישומים כמו נהיגה אוטונומית.

חוקרים הדגימו שבב חישה פוטוני אינטליגנטי חדש שיכול לעבד, לשדר ולשחזר תמונות של סצנה בתוך ננו-שניות. התקדמות זו פותחת את הדלת לעיבוד תמונה מהיר במיוחד שיכול להועיל לאינטליגנציה של קצה עבור יישומי ראיית מכונה כגון נהיגה אוטונומית, בדיקה תעשייתית וראייה רובוטית.

שיפור אינטליגנציה של Edge

מחשוב קצה, המבצע משימות מחשוב אינטנסיביות כמו עיבוד תמונה וניתוח במכשירים מקומיים, מתפתח לאינטליגנציה קצה על ידי הוספת בינה מלאכותית (AI) ניתוח וקבלת החלטות.

"לכידה, עיבוד וניתוח של תמונות עבור משימות מבוססות-קצה כמו נהיגה אוטונומית מוגבלת כיום למהירויות של מילי-שניות בשל הצורך של המרות אופטיות לאלקטרוניות", אמר מנהיג צוות המחקר לו פאנג מאוניברסיטת Tsinghua בסין. "השבב החדש שלנו יכול לבצע את כל התהליכים האלה תוך ננו-שניות בלבד על ידי שמירת כולם בתחום האופטי. זה יכול לשמש כדי לשפר באופן משמעותי, או אפילו להחליף, את הארכיטקטורה המסורתית של רכישת חיישנים ואחריה עיבוד AI לאחר."

סכמת שבב OPCA

השבב החדש של מערך החישוב האופטי החכם (OPCA) מבצע עיבוד תמונה מקצה לקצה, שידור ושחזור על ידי שילוב חישה ומחשוב בשבב אחד. קרדיט: Wei Wu, University Tsinghua

שבב Optical Parallel Computational Array (OPCA).

ב אופטיקה, כתב העת של Optica Publishing Group למחקר בעל השפעה גבוהה, החוקרים מתארים את השבב החדש, אותו הם מכנים שבב Optical Parallel Computational array (OPCA). הם מראים של-OPCA יש רוחב פס עיבוד של עד מאה מיליארד פיקסלים וזמן תגובה של 6 ננו-שניות בלבד, שהוא מהיר יותר בשישה סדרי גודל מהשיטות הנוכחיות. הם גם השתמשו בשבב כדי ליצור רשת עצבית אופטית המשלבת תפיסת תמונה, חישוב ושחזור.

"השבבים והרשת העצבית האופטית יכולים להגביר את היעילות של עיבוד סצנות מורכבות בבדיקה תעשייתית ולעזור לקדם את טכנולוגיית הרובוטים החכמה לרמה גבוהה יותר של אינטליגנציה קוגניטיבית", אמר Wei Wu, מחברו הראשון של המאמר. "אנחנו חושבים שזה גם יכול לחולל מהפכה במודיעין קצה."

מערכת בדיקת שבבים OPCA

התמונה מראה אור ממוקד דרך מערך עדשות המיקרו אל המיקרו-רינג במערכת בדיקת שבבי OPCA. קרדיט: Wei Wu, University Tsinghua

מהפכה בחזון מכונה

ראיית מכונה – המשתמשת במצלמות, חיישני תמונה, תאורה ואלגוריתמי מחשב כדי ללכוד, לעבד ולנתח תמונות עבור משימות ספציפיות – כרוכה באופן מסורתי בהמרת מידע אופטי לאותות חשמליים דיגיטליים באמצעות חיישנים. האותות הללו מועברים לאחר מכן על גבי סיבים אופטיים עבור העברת נתונים למרחקים ארוכים ומשימות במורד הזרם. עם זאת, ההמרה התכופה בין אותות אופטיים לחשמליים יחד עם התקדמות מוגבלת במעבדים אלקטרוניים הפכה למגבלה מרכזית בשיפור המהירות ויכולת העיבוד של ראיית המכונה.

לו פאנג, טיאן קואנג ג'ואו, ווי וו

ראש צוות המחקר לו פאנג, חברי הצוות Tian Kuang Zhou ו-Wei Wu מצולמים עם מערכת בדיקת השבבים. קרדיט: Wei Wu, University Tsinghua

שילוב חישה ומחשוב

"העולם נכנס לעידן בינה מלאכותית, אבל בינה מלאכותית מאוד ממצה זמן ואנרגיה", אמר פאנג. "בינתיים, הצמיחה של מכשירי קצה, כמו סמארטפונים, מכוניות חכמות ומחשבים ניידים הביאה לצמיחה נפיצה של נתוני תמונה שיש לעבד, לשידור ולהצגה. אנו פועלים לקידום ראיית מכונה על ידי שילוב חישה ומחשוב בתחום האופטי, שחשוב במיוחד עבור מחשוב קצה ולאפשר יישומי AI בני קיימא יותר".

האתגר בביצוע גם רכישת תמונה וגם ניתוח על אותו שבב בתחום האופטי הוא למצוא דרך להמיר את האור המרחבי במרחב הפנוי המשמש להדמיה לגל אור מונחה על השבב. החוקרים השיגו זאת על ידי תכנון שבב המורכב ממערך חישה-מחשוב של מהודים טבעתיים ייעודיים הממירים תמונת עוצמה אופטית בחלל פנוי – ייצוג דו-ממדי של עוצמת האור של סצנה – לאות אור קוהרנטי שניתן להנחות אותו לאחר מכן. על השבב. מערך מיקרו עדשות משפר את התהליך על ידי מיקוד הסצנה בשבב ה-OPCA.

רשת קלט-פלט הכל-אופטי

הארכיטקטורה של השבב אפשרה לחוקרים ליצור רשת עצבית אופטית מרובת גלים מקצה לקצה כדי לחבר את האור המאופנן על השבב למוביל גל אופטי ברוחב פס גדול, שבו האור המאופנן מתווסף יחדיו באופן ספקטרלי. לאחר מכן ניתן להשתמש ביציאות האופטיות הרב-ספקטרליות למשימות סיווג או ליצירת שחזור אופטי של התמונה.

"מכיוון שכל רכיב חישה-מחשוב של השבב הזה ניתן להגדרה מחדש, כל אחד מהם יכול לפעול כנוירון הניתן לתכנות שיוצר פלט אפנון אור המבוסס על הקלט והמשקל", אמר פאנג. "הרשת העצבית מחברת את כל נוירוני החישה-מחשוב עם מוליך גל יחיד, ומאפשרת חיבור מלא אופטי בין מידע הקלט לפלט."

סיכויי עתיד לטכנולוגיית OPCA

כדי להדגים את היכולות של שבב ה-OPCA, החוקרים הראו שניתן להשתמש בו כדי לסווג תמונה בכתב יד ולבצע פיתול תמונה, תהליך שמחיל פילטר על תמונה כדי לחלץ תכונות. הממצאים הראו כי ארכיטקטורת השבבים יכולה להשלים ביעילות את דחיסת המידע ושחזור הסצינות, מה שמצביע על הפוטנציאל שלה ליישומים נרחבים.

החוקרים עובדים כעת על שיפור שבב החישה-מחשוב OPCA כדי לשפר עוד יותר את הביצועים החישוביים תוך התאמה הדוק יותר עם תרחישי העולם האמיתי ואופטימיזציה עבור יישומי מחשוב קצה. החוקרים אומרים שלצורך שימוש מעשי, יהיה צורך להגדיל את יכולת העיבוד של הרשת העצבית האופטית כדי לטפל ביעילות במשימות אינטליגנטיות מורכבות ומציאותיות יותר ויותר. יש למזער את גורם הצורה של שבב OPCA ואת גורם הצורה הכללי.

"אנו מקווים שראיית המכונה תשתפר בהדרגה כדי שתהיה מהירה יותר וחסכונית יותר באנרגיה על ידי שימוש באור לביצוע חישה וגם מחשוב", אמר פאנג. "למרות שסביר להניח שהגישה של היום לא תוחלף לחלוטין, אנו מצפים ששיטת החישה-מחשוב תמצא את הנישה שלה בתחום מחשוב הקצה שבה היא יכולה להניע מגוון רחב של יישומים מבטיחים."

ניקולס