مفعلات بصرية غير خطية قابلة لإعادة التكوين بعتبة فوِمتو-جول لشبكات عصبية بصرية نابضة بزمن بيكوثانية

لماذا قد تشغل دفعات ضوئية صغيرة الذكاء الاصطناعي المستقبلي

تشغّل أنظمة الذكاء الاصطناعي الحالية على مزارع كبيرة من الشرائح الإلكترونية التي تستهلك طاقة هائلة. ومع طلبنا على هواتف وسيارات ومراكز بيانات أكثر ذكاءً، أصبحت استهلاك الكهرباء والحرارة عقبات رئيسية. تبيّن هذه الورقة طريقة لأداء بعض هذا العمل الضخم بالضوء بدل الإلكترونات، باستخدام أجهزة بصرية صغيرة تعمل كمفاتيح "تفعيل" في الشبكة العصبية. تعمل هذه المفاتيح بطاقة ضوئية ضئيلة للغاية وبسرعات فائقة، مقدمة لمحة عن أجهزة ذكاء اصطناعي فائقة السرعة وموفرة للطاقة.

من إلكترونيات بطيئة وساخنة إلى بصريات سريعة وباردة

تقوم الشرائح الحاسوبية التقليدية بتحريك شحنات كهربائية عبر أسلاك ومقاييس ترانزستور. لقد خدمنا هذا النهج جيدًا، لكنه يقترب من حدود كل من السرعة وكفاءة الطاقة. تستبدل الشبكات العصبية البصرية الشحنات المتحركة بالفوتونات التي تسير في موجهات—مسارات ضوئية صغيرة على الرقاقة. يمكن للضوء حمل المعلومات بسرعة، وبألوان متعددة في آن واحد، وبقليل من التسخين. مع ذلك، يتطلب بناء شبكة عصبية بصرية بالكامل مكوّنًا أساسيًا عمليًا: جهازًا مضغوطًا يستقبل إشارة ضوئية ويخرّج نسخة مُحوَّلة منها بطريقة غير خطية، تمامًا كما يطلق العصبون في الدماغ إشارات فقط عندما يتجاوز المدخل عتبة. حتى الآن، كانت عناصر "التفعيل" الضوئية بالكامل غالبًا كبيرة جدًا أو بطيئة جدًا أو تستهلك الكثير من الطاقة.

فخ ضوئي مجهري يتعلّم أن يغيّر الإشارات

يقوم المؤلفون أولًا بتصميم جوف بلورة ضوئية من السيليكون—لوح مثقوب من السيليكون يحبس ويبطئ الضوء عند ألوان محددة. عبر ترتيب صف من الفتحات بعناية، يخلقون منطقة صغيرة يمكن فيها لنبضة ضوئية قصيرة أن تتجاوب وتبني شدة أكبر. هذا يعزّز خاصية دقيقة في السيليكون تُدعى تأثير كير، حيث يتغير معامل الانكسار للمادة قليلاً عندما يصبح الضوء داخلها قويًا. هذا التغير الطفيف يزيح لون الرنين المفضّل للجوف، ونتيجة لذلك يغيّر مقدار نبضة ضوئية عابرة التي تمر. عبر اختيار طول موجي الإدخال نسبةً إلى ذروة رنين الجوف، يستطيع الباحثون جعل الجهاز يتصرف مثل عدة منحنيات تفعيل مستخدمة في التعلم الآلي، بما في ذلك استجابة خطية، أو شبيهة بـ ReLU (خطي مقطوع)، أو شبيهة بالسيجمويد. حتى في النسخة المصنوعة من السيليكون فقط، يكون حجم المفعل حوالي 15 ميكرومتر × 10 ميكرومتر—أصغر من حبة غبار—ويستجيب في أقل من 2 تريليون جزء من الثانية.

إضافة الجرافين لتبديل بطاقة دنيا للغاية

لخفض عتبة التفعيل أكثر، يدمج الفريق طبقة جرافين بسماكة ذرة واحدة فوق جوف السيليكون. يمتص الجرافين الضوء بطبيعته، لكن عند شدة عالية يتشبع امتصاصه: بعد إثارة عدد كبير من الإلكترونات، تمر فوتونات إضافية بسهولة أكبر. بدمج هذا "الامتصاص المشبع" مع تعزيز الجوف للضوء البطيء، يصل الجهاز إلى طاقة تشبع تبلغ فقط 4 فوِمتو-جول—تقريبًا طاقة تحملها عشرات الآلاف من فوتونات الاتصالات البصرية—وزمن استجابة نحو 1 بيكوثانية. عند أطوال موجية قريبة، يمكن لنفس البنية أيضًا استغلال تأثير كير في السيليكون لإعادة تشكيل منحنى التفعيل عند الطلب، مما يتيح التبديل بين استجابات شبيهة بالسيجمويد وReLU وما يقرب من السلوك الخطي مع عتبات منخفضة تصل إلى نحو 30 فوِمتو-جول. من حيث السرعة والطاقة المطلوبة، يتفوّق هذا مؤشر الأداء على مفعلات بصرية على الرقاقة السابقة بمقدار عدة مراتب.

بناء دماغ بصري نابض على رقاقة

باستخدام هذه المفعلات كلبنات بناء، يوضح المؤلفون بنية شبكة عصبية بصرية كاملة تُدار بنبضات ضوئية فائقة السرعة بدل الحزم المستمرة. يولّد ليزر نابض بتكرار مرتفع قطارًا من النبضات بمدة بيكوثانية، تُشفّر بالبيانات عبر معدِّلات عالية السرعة ثم تُقسّم عبر أطوال موجية متعددة. على الرقاقة، تقوم مكونات تقسيم الطول الموجي المتخصصة بتوجيه وترجيح هذه الألوان باستخدام مواد تغيير الطور غير المتطايرة التي تتذكّر إعداداتها دون استهلاك طاقة. بعد الترجيح الخطي، تمر الإشارات عبر مفعلات الجرافين-السيليكون، التي تطبع الاستجابة غير الخطية المطلوبة قبل أن يُوجَّه الضوء إلى الطبقة التالية. تُظهر المحاكاة أنه مع طاقات تفعيل أقل من نحو 30 فوِمتو-جول، يمكن لمثل هذا النظام الوصول إلى كثافات حسابية تقارب 10³ تريليون عملية في الثانية لكل مليمتر مربع وكفاءات طاقة تقارب 10⁶ تريليون عملية لكل واط لكل مليمتر مربع—بعيدة جدًا عن مسرِّعات إلكترونية نموذجية.

ماذا يعني هذا للذكاء الاصطناعي اليومي

لاختبار ما إذا كانت هذه التفعيلات البصرية الغريبة تتصرف مثل نظيراتها الإلكترونية، يزود الفريق نماذج برمجية بمنحنيات التفعيل المقاسة ويُدرِبها على مهام تصنيف قياسية، من أنماط ثنائية البعد بسيطة إلى أرقام مكتوبة بخط اليد (MNIST) وصور ملونة معقدة (CIFAR-10). تطابق تفعيلات الجرافين-السيليكون أو تتفوق على الاستجابات الخطية البسيطة، لا سيما في مهام الصور الأصعب، حيث يثبت سلوك شبيه بـ ReLU قوته بشكل خاص. بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن شريحة بحجم طرف الإصبع مصنوعة من سيليكون وجرافين مُشكَّلة بعناية قد تُنفّذ يومًا ما خطوات رئيسية في حسابات الذكاء الاصطناعي باستخدام دفعات ضوئية صغيرة بدل الكهرباء. إذا تم توسيع نطاقها ودمجها مع تقنيات فوتونية ناضجة، فقد تساعد هذه المفعلات الضوئية غير الخطية الكاملة في تقديم أجهزة أسرع، وأكثر برودة، وأكثر كفاءة للأجيال القادمة من الذكاء الاصطناعي.

الاستشهاد: Liu, R., Wang, Z., Zhong, C. et al. Femto-joule threshold reconfigurable all-optical nonlinear activators for picosecond pulsed optical neural networks. Light Sci Appl 15, 128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-025-02175-4

الكلمات المفتاحية: الشبكات العصبية البصرية, البصريات القائمة على الجرافين, أجواف البلورات الضوئية, التفعيل غير الخطي, أجهزة الذكاء الاصطناعي الموفرة للطاقة