Os chineses desenvolveram um processador de visão computacional que é 3.000 vezes mais rápido e 4 milhões de vezes mais eficiente do que uma GPU moderna

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.

Fonte da imagem: Pixabay

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.