Chip Fotonik Ultracepat Mengubah Visi Mesin dan Kecerdasan Edge

Para peneliti telah menciptakan chip fotonik yang mampu memproses gambar dengan kecepatan nanodetik, jauh lebih cepat dibandingkan metode saat ini. Chip ini meningkatkan kecerdasan edge dengan mengintegrasikan analisis AI langsung ke dalam pemrosesan optik, sehingga berpotensi mengubah aplikasi seperti mengemudi secara otonom.

Para peneliti telah mendemonstrasikan chip komputasi penginderaan fotonik cerdas baru yang dapat memproses, mengirimkan, dan merekonstruksi gambar suatu pemandangan dalam nanodetik. Kemajuan ini membuka pintu bagi pemrosesan gambar berkecepatan sangat tinggi yang dapat memanfaatkan kecerdasan edge untuk aplikasi visi mesin seperti mengemudi secara otonom, inspeksi industri, dan visi robotik.

Meningkatkan Kecerdasan Edge

Komputasi edge, yang melakukan tugas-tugas komputasi intensif seperti pemrosesan gambar dan analisis pada perangkat lokal, berkembang menjadi kecerdasan edge dengan menambahkan kecerdasan buatan (AI) yang didorong oleh analisis dan pengambilan keputusan.

“Mengambil, memproses, dan menganalisis gambar untuk tugas-tugas berbasis edge seperti mengemudi otonom saat ini terbatas pada kecepatan tingkat milidetik karena perlunya konversi optik-ke-elektronik,” kata pemimpin tim peneliti Lu Fang dari Universitas Tsinghua di Tiongkok. “Chip baru kami dapat melakukan semua proses ini hanya dalam nanodetik dengan menjaga semuanya dalam area optik. Hal ini dapat digunakan untuk secara signifikan meningkatkan, atau bahkan menggantikan, arsitektur tradisional akuisisi sensor yang diikuti dengan pasca-pemrosesan AI.”

Chip array komputasi optik cerdas (OPCA) yang baru melakukan pemrosesan, transmisi, dan rekonstruksi gambar ujung ke ujung dengan mengintegrasikan penginderaan dan komputasi dalam satu chip. Kredit: Wei Wu, Universitas Tsinghua

Chip Array Komputasi Paralel Optik (OPCA).

Di dalam Optik, jurnal Optica Publishing Group untuk penelitian berdampak tinggi, para peneliti menggambarkan chip baru, yang mereka sebut chip array komputasi paralel optik (OPCA). Mereka menunjukkan bahwa OPCA memiliki bandwidth pemrosesan hingga seratus miliar piksel dan waktu respons hanya 6 nanodetik, yaitu sekitar enam kali lipat lebih cepat dibandingkan metode saat ini. Mereka juga menggunakan chip tersebut untuk membuat jaringan saraf optik yang mengintegrasikan persepsi gambar, komputasi, dan rekonstruksi.

“Chip dan jaringan saraf optik dapat meningkatkan efisiensi pemrosesan adegan kompleks dalam inspeksi industri dan membantu memajukan teknologi robotic cerdas ke tingkat kecerdasan kognitif yang lebih tinggi,” kata Wei Wu, salah satu penulis pertama makalah ini. “Kami pikir hal ini juga dapat merevolusi kecerdasan edge.”

Foto menunjukkan cahaya difokuskan melalui susunan lensa mikro ke cincin mikro dalam sistem pengujian chip OPCA. Kredit: Wei Wu, Universitas Tsinghua

Merevolusi Visi Mesin

Visi mesin — yang menggunakan kamera, sensor gambar, pencahayaan, dan algoritme komputer untuk menangkap, memproses, dan menganalisis gambar untuk tugas tertentu — biasanya melibatkan pengubahan informasi optik menjadi sinyal listrik digital menggunakan sensor. Sinyal-sinyal ini kemudian ditransmisikan melalui serat optik untuk transmisi information jarak jauh dan tugas-tugas hilir. Namun, seringnya konversi antara sinyal optik dan listrik serta terbatasnya kemajuan dalam prosesor elektronik telah menjadi hambatan besar dalam meningkatkan kecepatan dan kapasitas pemrosesan visi mesin.

Ketua tim peneliti Lu Fang, anggota tim Tian Kuang Zhou dan Wei Wu digambarkan dengan sistem pengujian chip. Kredit: Wei Wu, Universitas Tsinghua

Mengintegrasikan Penginderaan dan Komputasi

“Dunia sedang memasuki period AI, namun AI sangat menguras waktu dan energi,” kata Fang. “Sementara itu, pertumbuhan perangkat edge, seperti ponsel pintar, mobil cerdas, dan laptop computer telah menghasilkan pertumbuhan information gambar yang luar biasa untuk diproses, dikirim, dan ditampilkan. Kami berupaya untuk memajukan visi mesin dengan mengintegrasikan penginderaan dan komputasi dalam area optik, yang sangat penting untuk komputasi edge dan untuk memungkinkan aplikasi AI yang lebih berkelanjutan.”

Tantangan dalam melakukan akuisisi dan analisis gambar pada chip yang sama dalam area optik adalah menemukan cara untuk mengubah cahaya spasial ruang bebas yang digunakan untuk pencitraan menjadi gelombang cahaya terpandu dalam chip. Para peneliti mencapai hal ini dengan merancang sebuah chip yang terdiri dari rangkaian komputasi penginderaan dari resonator cincin khusus yang mengubah gambar intensitas optik ruang bebas – representasi 2D dari intensitas cahaya suatu pemandangan – menjadi sinyal cahaya koheren yang kemudian dapat dipandu. pada chip. Rangkaian lensa mikro meningkatkan proses dengan memfokuskan pemandangan ke chip OPCA.

Jaringan Enter-Output Semua Optik

Arsitektur chip memungkinkan para peneliti untuk membuat jaringan saraf optik multi-panjang gelombang ujung ke ujung untuk memasangkan cahaya termodulasi pada chip ke dalam pandu gelombang optik bandwidth besar, di mana cahaya termodulasi ditambahkan bersama-sama secara spektral. Keluaran optik multispektral kemudian dapat digunakan untuk tugas klasifikasi atau untuk membuat rekonstruksi gambar seluruhnya secara optik.

“Karena setiap elemen komputasi penginderaan pada chip ini dapat dikonfigurasi ulang, masing-masing elemen tersebut dapat beroperasi sebagai neuron yang dapat diprogram yang menghasilkan keluaran modulasi cahaya berdasarkan masukan dan berat,” kata Fang. “Jaringan saraf menghubungkan semua neuron komputasi penginderaan dengan satu pandu gelombang, memfasilitasi koneksi penuh optik antara informasi masukan dan keluaran.”

Prospek Masa Depan untuk Teknologi OPCA

Untuk mendemonstrasikan kemampuan chip OPCA, para peneliti menunjukkan bahwa chip tersebut dapat digunakan untuk mengklasifikasikan gambar tulisan tangan dan melakukan konvolusi gambar, sebuah proses yang menerapkan filter pada gambar untuk mengekstrak fitur. Temuan menunjukkan bahwa arsitektur chip dapat secara efektif menyelesaikan kompresi informasi dan rekonstruksi pemandangan, yang menunjukkan potensi penerapannya secara luas.

Para peneliti sekarang berupaya meningkatkan chip OPCA komputasi penginderaan untuk lebih meningkatkan kinerja komputasi sekaligus menyelaraskan lebih dekat dengan skenario dunia nyata dan dioptimalkan untuk aplikasi komputasi edge. Para peneliti mengatakan bahwa untuk penggunaan praktis, kapasitas pemrosesan jaringan saraf optik perlu ditingkatkan agar dapat secara efektif menangani tugas-tugas cerdas yang semakin kompleks dan realistis. Faktor bentuk chip OPCA dan faktor bentuk keseluruhan juga perlu diminimalkan.

“Kami berharap visi mesin akan ditingkatkan secara bertahap menjadi lebih cepat dan hemat energi dengan menggunakan cahaya untuk melakukan penginderaan dan komputasi,” kata Fang. “Meskipun pendekatan yang ada saat ini kemungkinan besar tidak akan sepenuhnya tergantikan, kami berharap metode komputasi penginderaan akan menemukan tempatnya dalam komputasi edge yang dapat mendorong beragam aplikasi yang menjanjikan.”

Referensi: “Chip fotonik paralel untuk pemrosesan, transmisi, dan rekonstruksi gambar ujung ke ujung nanodetik” oleh Lu Fang, Wei Wu dan Tiankuang Zhou, 19 Juni 2024, Optik.
DOI: doi:10.1364/OPTICA.516241