Cientistas da Universidade Tsinghua da China desenvolveram um chip fotoeletrônico ACCEL totalmente analógico que promete revolucionar as aplicações de visão computacional de alta velocidade. O chip, que combina tecnologias eletrônicas e ópticas, é capaz de demonstrar eficiência energética sem precedentes e a mais alta velocidade de computação para tarefas de visão computacional. Nesta área, o novo chip é radicalmente superior às GPUs modernas.
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Os processadores tradicionais têm velocidades de processamento limitadas e consomem enormes quantidades de energia ao resolver problemas de visão computacional, como reconhecimento de imagem para condução autônoma, robótica e diagnósticos médicos. Essas tarefas exigem processamento de imagens de alta resolução, classificação precisa e latência ultrabaixa.
O chip ACCEL aproveita o campo emergente da computação fotônica, que utiliza luz para processar informações. Ao integrar a computação analógica óptica difrativa (OAC) e a computação analógica eletrônica (EAC) em um único chip, o ACCEL alcança notável eficiência energética e velocidade de computação.
O método OAC utiliza a manipulação de ondas de luz por meio de difração para codificar e processar informações. Usando padrões de interferência criados pela luz, os cálculos são realizados de forma analógica, processando dados continuamente, em vez de etapas digitais discretas. O método EAC utiliza componentes eletrônicos para manipular quantidades físicas contínuas. Em vez de trabalhar com sinais digitais na forma de zeros e uns, o EAC utiliza sinais analógicos em constante mudança.
Arquitetura ACCEL / Fonte da imagem: Universidade Tsinghua
Ambos os métodos oferecem vantagens para certos tipos de computação e facilitam o desenvolvimento de problemas de visão de alta velocidade.
O processamento de imagem ACCEL não requer um ADC para converter a imagem, usando diretamente fotocorrentes induzidas pela luz para cálculos, resultando em latência significativamente reduzida. ACCEL atinge uma eficiência energética do sistema de 74,8 peta-ops por watt, mais de três ordens de magnitude superior às GPUs atuais. As velocidades de computação atingem 4,6 operações peta por segundo, com mais de 99% dos cálculos realizados opticamente.
Ao integrar a computação optoeletrônica e o aprendizado adaptativo, o ACCEL alcança uma precisão competitiva na classificação de objetos em uma variedade de tarefas. O novo chip alcançou precisões de 85,5%, 82,0% e 92,6% para Fashion-MNIST, classificação ImageNet de 3 classes e tarefas de reconhecimento de vídeo com lapso de tempo, respectivamente. Notavelmente, o ACCEL demonstra alta confiabilidade mesmo em condições de pouca luz, tornando-o adequado para dispositivos portáteis, condução autônoma e aplicações industriais.
Comparação de velocidade ACCEL e eficiência energética com métodos tradicionais / Fonte da imagem: Universidade de Tsinghua
O consumo ultrabaixo de energia do novo chip reduz significativamente a dissipação de calor, abrindo caminho para melhorias e miniaturização adicionais. Ao contrário dos sistemas de computação digital optoeletrônicos tradicionais, o ACCEL combina de forma flexível a computação óptica difrativa e a computação eletrônica analógica, e sua arquitetura alcança escalabilidade, não linearidade e alta adaptabilidade.
Num estudo publicado na revista Nature, os investigadores afirmaram: “Desenvolver um sistema de computação baseado num princípio inteiramente novo é um enorme desafio. No entanto, é ainda mais importante traduzir com sucesso esta arquitetura computacional de próxima geração em aplicações do mundo real que atendam às necessidades críticas da sociedade.”
Tudo o que é novo é, sem dúvida, velho e bem esquecido. O primeiro dispositivo de computação analógico é a régua de cálculo, bem conhecida da geração mais antiga.
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Outro exemplo bem conhecido de dispositivos de computação analógicos é o computador analógico de mesa MH-7, desenvolvido em 1955. Ela resolveu com sucesso equações diferenciais ordinárias até a 6ª ordem. Não menos bem-sucedido, com a ajuda de tais máquinas, foram criados modelos matemáticos de processos físicos, que foram utilizados na solução de problemas de controle automatizado de processos.
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Em um computador analógico (AVM), o valor instantâneo da quantidade variável original está associado ao valor instantâneo de outra quantidade, muitas vezes diferente da natureza física original e do fator de escala. Cada operação matemática elementar, via de regra, corresponde a uma lei física que estabelece relações matemáticas entre grandezas físicas na saída e na entrada (por exemplo, a lei de Ohm).
As características de apresentação das grandezas iniciais e de construção de algoritmos predeterminam a alta velocidade de operação do AVM e a facilidade de programação, mas limitam o alcance e a precisão do resultado obtido. O AVM é caracterizado pela baixa universalidade (limitação algorítmica) – ao resolver problemas de outra classe, é necessário reconstruir a estrutura da máquina e o número de elementos decisivos.
E agora estamos a testemunhar como, num mundo de tecnologias digitais aparentemente vitoriosas, a computação analógica, que atingiu um novo nível de desenvolvimento, está novamente a começar a encontrar aplicação.