فريق من جامعة شينزينغ يبتكر منصة أجهزة حاسوبية ضوئية متكاملة لتعزيز أداء أنظمة AI الخاصة بالحوسبة على الحافة

فريق من جامعة شenzhen يطور منصة حاسوبية ضوئية متكاملة، مما يفتح آفاقًا جديدة لأنظمة الذكاء الاصطناعي على الهامش شهد السنوات الأخيرة انتشارًا سريعًا للتكنولوجيات القائمة على الذكاء الاصطناعي وأنظمة الاستشعار الذكي في مجموعة متنوعة من التطبيقات، مثل الحوسبة على الهامش (Edge Computing)، تصوير الأجهزة الطبية، وإجراءات التعرف الأمني. ومع ذلك، فإن هذا التوسع السريع يطرح تحديات كبيرة على مستوى الأجهزة الأساسية لمعالجة المعلومات. تعمل الأنظمة التقليدية للحساب على هندسة فون نيومان، حيث تكون الوظائف مثل الاستشعار، التخزين، المعالجة، والعرض منفصلة، مما يؤدي إلى نقل البيانات بكميات كبيرة، واستهلاك الطاقة العالية. يعد الشبكات العصبية الضوئية (Optical Neural Networks – ONNs) تقنية واعدة لتجاوز هذه العقبات، نظرًا لقدرتها على معالجة البيانات بسرعة عالية وبشكل متوازي، مع تأخير منخفض. ومع ذلك، فإن معظم الأنظمة الحالية للحساب الضوئي لا تزال تعتمد على وحدات التحويل بين الإشارات الكهربائية والإشارات الضوئية (ADC/DAC)، بالإضافة إلى الحاجة إلى وحدات عرض إلكترونية مستقلة لإظهار النواتج، مما يزيد من التعقيد ويستهلك المزيد من الطاقة. في هذا السياق، قام فريق من كلية الفيزياء وهندسة الأجهزة الضوئية بجامعة شenzhen، بقيادة البروفيسور Zhang Han والمساعد البروفيسور Wei Songrui، بالتعاون الوثيق مع جامعتي Hong Kong و Southern University of Science and Technology، ومعمل Pengcheng، بتطوير معمارية حاسوبية ضوئية جديدة تقوم على عملية ضرب المصفوفة بالمتغير الضوئي (Fluorescence Matrix–Vector Multiplication – FMVM). يعتبر هذا التطور الأول من نوعه الذي يدمج بين قابلية برمجة المواد المتغيرة اللون بالضوء والقدرة على إظهار النواتج بشكل مباشر، مما يوفر منصة تجمع بين الاستشعار، الحوسبة، التخزين، والعرض في خلية واحدة. تعمل معمارية FMVM باستخدام نظام متغير اللون بالضوء قابل للعكس يتكون من جزيئات spiropyran (SP) و merocyanine (MC). يمكن لهذه الجزيئات أن تتغير بشكل متحكم وغير متطاير عند تعرضها للأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي. في حالة SP، الذي لا يظهر الفلورسنت، يتحول إلى MC الفلورسنت عند التعرض للأشعة فوق البنفسجية، ثم يعود إلى حالته الأصلية عند التعرض للضوء المرئي، مما يوفر مادة للوزن الضوئي تتمتع بتأثير ذكراي مشابه. تم تحضير غشاء رقيق من MMA يحتوي على جزيئات SP بشكل متجانس، والذي يمكن التحكم فيه بدقة عالية لتحقيق التغيير في تركيز MC وبالتالي ضبط قوة الفلورسنت. تعتمد العملية الحاسوبية على إسقاط نمط من الأشعة فوق البنفسجية كإشارة إدخال، حيث تتوافق سطوع النمط مع المتجه الإدخالي. عند إسقاط هذا النمط على الغشاء المبرمج بالوزن، يتم إطلاق الإشعاع الفلورسنت الذي يمثل عملية ضرب المصفوفة بالمتجه. تُظهر الإشارات الفلورسنت الناتجة مباشرة نتيجة الحساب، والتي يمكن تسجيلها بواسطة كاميرا أو ملاحظتها بالعين المجردة، مما يتيح إظهار النواتج في مجال الضوء المرئي دون الحاجة إلى وحدات تحويل كهربائية أو أجهزة عرض تقليدية. في الجانب المتعلق بخصائص المادة، أجرى الفريق دراسات تفصيلية لتقييم سلوك التغيير اللوني للمادة في ضوء الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي، بالإضافة إلى قدرتها على الاستقرار والدقة المكانية. تم تحقيق دقة فلورسنت تبلغ 5 بت (32 مستوى)، وأمكن التحكم في تركيز MC بشكل مستمر من خلال ضبط قوة الضوء فوق البنفسجي ووقت التعرض، مما أدى إلى دقة كتابة فضائية تبلغ حوالي 33 ميكرون. استجابة الإشعاع الفلورسنت أقل من 10 نانوثانية، مع نطاق ترددي يزيد على 100 ميجاهرتز، مما يجعل النظام مناسبًا للحوسبة السريعة. كما أن الأنماط المبرمجة يمكنها الحفاظ على استقرارها لفترات طويلة حتى بعد العديد من دورة الكتابة والمحي. عند تطبيق هذه المعمارية على التعرف على البصمات، تمكنت المنصة الجديدة من تحديد بصمات ثلاثة أشخاص مختلفين وإظهار أسمائهم كنواتج. أجريت عمليات محاكاة وتجارب لمقارنة النواتج وقيم الوزن بين النموذج المحاكى والمعد بشكل تجريبي، مما أثبت فعالية المنصة في تحقيق الحوسبة والعرض المتكاملين. يتميز نظام FMVM بخمس مزايا رئيسية مقارنة بالأنظمة التقليدية للشبكات العصبية الضوئية: 1. عدم الحاجة إلى وحدات ADC/DAC: يتم معالجة جميع الإشارات في المجال الضوئي. 2. استهلاك طاقة أقل: لا يحتاج إلى طاقة مستمرة لحفظ القيم المبرمجة، مما يجعله مثاليًا للتطبيقات على الهامش. 3. إخراج متوازي: يمكن إظهار نواتج متعددة في نفس الوقت. 4. قدرة تخزين غير متطايرة: يمكن برمجة ومحو الأنماط وحفظها لفترات طويلة. 5. قابلية التوسع في المواد: يمكن استخدامه مع مواد فلورسنت مختلفة مثل النقاط الكمية و MOFs ونقاط الكربون، لتحقيق استجابات فلورسنت متعددة الأطياف. هذه المنصة المتكاملة تعد خطوة مهمة نحو تطوير أجهزة حاسوبية ضوئية أكثر كفاءة واقتصادية في استهلاك الطاقة، مما يمكن أن يساهم بشكل كبير في تطبيقات الأجهزة القابلة للارتداء، وأنظمة الذكاء الاصطناعي على الهامش، ومعالجة الإشارات الضوئية الطبيعية، والتعرف الأمني بالضوء. وقد تم تمويل هذا العمل من قبل هيئة البحث العلمي الوطنية، وخطة Peacock بمدينة Shenzhen، ولجنة الابتكار العلمي والتكنولوجي في Shenzhen. المعلومات حول الورقة العلمية: - Songrui Wei, Shangcheng Yang, Dingchen Wang, Xiao Tang, Kunbin Huang, Yanqi Ge, Bowen Du, Zhi Chen, Zhongrui Wang, Xiaojun Liang, Weihua Gui, Wen Gao, Dianyuan Fan, و Zhang Han. - "Fluorescence matrix–vector multiplication: realization of in-memory-display computing" - منشور في الدورية الدولية Optica، تموز 2025، المجلد 12، العدد 7. - الرابط: https://doi.org/10.1364/OPTICA.555491