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Os pesquisadores desenvolveram um novo chip de computação de detecção fotônica inteligente que pode processar, transmitir e reconstruir imagens de uma cena em nanossegundos. Crédito: Wei Wu, Universidade Tsinghua
Os pesquisadores criaram um chip fotônico capaz de processar imagens em velocidades de nanossegundos, significativamente mais rápidas que os métodos atuais. Este chip aprimora a inteligência de ponta ao integrar a análise de IA diretamente no processamento óptico, transformando potencialmente aplicações como a direção autônoma.
Os pesquisadores demonstraram um novo chip de computação de detecção fotônica inteligente que pode processar, transmitir e reconstruir imagens de uma cena em nanossegundos. Este avanço abre as portas para o processamento de imagens em velocidade extremamente alta que pode beneficiar a inteligência de ponta para aplicações de visão mecânica, como direção autônoma, inspeção industrial e visão robótica.
Aprimorando a inteligência de borda
A edge computing, que executa tarefas intensivas de computação, como processamento e análise de imagens em dispositivos locais, está evoluindo para edge intelligence ao adicionar inteligência artificial (IA) análise e tomada de decisão orientadas.
“A captura, o processamento e a análise de imagens para tarefas baseadas em bordas, como a condução autônoma, estão atualmente limitados a velocidades de milissegundos devido à necessidade de conversões ópticas para eletrônicas”, disse o líder da equipe de pesquisa, Lu Fang, da Universidade Tsinghua, na China. “Nosso novo chip pode realizar todos esses processos em apenas nanossegundos, mantendo todos eles no domínio óptico. Isso poderia ser usado para melhorar significativamente, ou mesmo substituir, a arquitetura tradicional de aquisição de sensores seguida de pós-processamento de IA.”
O novo chip de matriz computacional óptica inteligente (OPCA) realiza processamento, transmissão e reconstrução de imagem de ponta a ponta, integrando detecção e computação em um chip. Crédito: Wei Wu, Universidade Tsinghua
Chip de matriz computacional paralela óptica (OPCA)
Em Óptica, revista do Optica Publishing Group para pesquisas de alto impacto, os pesquisadores descrevem o novo chip, que eles chamam de chip de matriz computacional paralela óptica (OPCA). Eles mostram que o OPCA tem uma largura de banda de processamento de até cem bilhões de pixels e um tempo de resposta de apenas 6 nanossegundos, o que é cerca de seis ordens de magnitude mais rápido que os métodos atuais. Eles também usaram o chip para criar uma rede neural óptica que integra percepção, computação e reconstrução de imagens.
“O chip e a rede neural óptica podem aumentar a eficiência do processamento de cenas complexas na inspeção industrial e ajudar a avançar a tecnologia de robôs inteligentes para um nível mais alto de inteligência cognitiva”, disse Wei Wu, co-autor do artigo. “Achamos que isso também poderia revolucionar a inteligência de ponta.”
A foto mostra a luz sendo focada através do conjunto de microlentes no micro-anel no sistema de teste de chip OPCA. Crédito: Wei Wu, Universidade Tsinghua
Revolucionando a visão mecânica
A visão mecânica – que usa câmeras, sensores de imagem, iluminação e algoritmos de computador para capturar, processar e analisar imagens para tarefas específicas – tradicionalmente envolve a conversão de informações ópticas em sinais elétricos digitais usando sensores. Esses sinais são então transmitidos por fibras ópticas para transmissão de dados de longa distância e tarefas downstream. No entanto, a conversão frequente entre sinais ópticos e elétricos, juntamente com os avanços limitados nos processadores eletrônicos, tornou-se uma grande restrição na melhoria da velocidade e da capacidade de processamento da visão mecânica.
O líder da equipe de pesquisa, Lu Fang, e os membros da equipe Tian Kuang Zhou e Wei Wu são retratados com o sistema de teste de chip. Crédito: Wei Wu, Universidade Tsinghua
Integrando Sensoriamento e Computação
“O mundo está entrando na era da IA, mas a IA consome muito tempo e energia”, disse Fang. “Enquanto isso, o crescimento de dispositivos de ponta, como smartphones, carros inteligentes e laptops, resultou num crescimento explosivo de dados de imagem a serem processados, transmitidos e exibidos. Estamos trabalhando para avançar a visão mecânica, integrando detecção e computação no domínio óptico, o que é particularmente importante para a computação de ponta e para permitir aplicações de IA mais sustentáveis”.
O desafio em realizar a aquisição e análise de imagens no mesmo chip no domínio óptico é encontrar uma maneira de converter a luz espacial do espaço livre usada para geração de imagens em uma onda de luz guiada no chip. Os pesquisadores conseguiram isso projetando um chip que consiste em um conjunto de computação de detecção de ressonadores de anel dedicados que convertem uma imagem de intensidade óptica de espaço livre – uma representação 2D da intensidade de luz de uma cena – em um sinal de luz coerente que pode então ser guiado. no chip. Um conjunto de microlentes aprimora o processo focando a cena no chip OPCA.
Rede de entrada-saída totalmente óptica
A arquitetura do chip permitiu que os pesquisadores criassem uma rede neural óptica de vários comprimentos de onda ponta a ponta para acoplar a luz modulada no chip em um guia de ondas óptico de grande largura de banda, onde a luz modulada é adicionada espectralmente. As saídas ópticas multiespectrais podem então ser usadas para tarefas de classificação ou para criar uma reconstrução totalmente óptica da imagem.
“Como cada elemento de computação de detecção deste chip é reconfigurável, cada um deles pode operar como um neurônio programável que gera saída de modulação de luz com base na entrada e no peso”, disse Fang. “A rede neural conecta todos os neurônios de computação de detecção com um único guia de ondas, facilitando uma conexão totalmente óptica entre as informações de entrada e a saída.”
Perspectivas futuras para a tecnologia OPCA
Para demonstrar as capacidades do chip OPCA, os pesquisadores mostraram que ele poderia ser usado para classificar uma imagem manuscrita e realizar convolução de imagem, um processo que aplica um filtro a uma imagem para extrair características. As descobertas mostraram que a arquitetura do chip pode efetivamente completar a compressão de informações e a reconstrução de cenas, indicando seu potencial para aplicações generalizadas.
Os pesquisadores estão agora trabalhando para melhorar o chip OPCA de computação de detecção para melhorar ainda mais o desempenho computacional, ao mesmo tempo que está mais alinhado com cenários do mundo real e otimizado para aplicações de computação de ponta. Os pesquisadores dizem que, para uso prático, a capacidade de processamento da rede neural óptica precisaria ser aumentada para lidar com eficácia com tarefas inteligentes cada vez mais complexas e realistas. O formato do chip OPCA e o formato geral também precisam ser minimizados.
“Esperamos que a visão mecânica seja gradualmente melhorada para ser mais rápida e mais eficiente em termos energéticos, usando a luz para realizar detecção e computação”, disse Fang. “Mesmo que a abordagem atual provavelmente não seja completamente substituída, esperamos que o método de detecção de computação encontre seu nicho na computação de ponta, onde possa conduzir uma ampla gama de aplicações promissoras.”
Referência: “Chip fotônico paralelo para processamento, transmissão e reconstrução de imagem ponta a ponta em nanossegundos” por W. Wu, T. Zhou, L. Fang, 13 de junho de 2024, Óptica.
DOI: 10.1364/OPTICA.516241