光電技術(shù)在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用探討

謝禹莊

（西南交通大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都610031）

1 概述

人工智能是當(dāng)今最具戰(zhàn)略性和顛覆性的技術(shù), 其以強(qiáng)大的賦能性驅(qū)動(dòng)著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革, 深刻地影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和國(guó)際政治格局構(gòu)建[1]。

當(dāng)前, 人工智能著重解決機(jī)器會(huì)聽（語音識(shí)別、機(jī)器翻譯等）、會(huì)看（圖像識(shí)別、文字識(shí)別等）、會(huì)說（語音合成、人機(jī)對(duì)話等）、會(huì)思考（人機(jī)對(duì)弈、定理證明等）、會(huì)學(xué)習(xí)（機(jī)器學(xué)習(xí)、知識(shí)表示等）、會(huì)行動(dòng)（機(jī)器人、無人駕駛等）“六會(huì)”問題[2]。光電技術(shù)在解決這“六會(huì)”的人工智能關(guān)鍵技術(shù)中應(yīng)用十分廣泛。

2 光電技術(shù)在人工智能領(lǐng)域的應(yīng)用

光電技術(shù)在人工智能應(yīng)用實(shí)踐層面主要解決“會(huì)看”“會(huì)思考”“會(huì)行動(dòng)”等問題,包括以下方面。

2.1 光子芯片

智能芯片是人工智能最核心的技術(shù),相當(dāng)于人工智能的“大腦”。人工智能基于對(duì)海量數(shù)據(jù)收集、處理、選擇、交換、整合和分析。在此過程中,機(jī)器效能的消耗隨著數(shù)據(jù)量激增而“與日俱增”,傳統(tǒng)計(jì)算方式和硬件（傳統(tǒng)芯片）顯得“力不從心”,高速低耗的光子芯片應(yīng)運(yùn)而生。

光子芯片依托硅基光子集成技術(shù),讓光提供算力。光子芯片運(yùn)算速度快、低延遲、抗電磁干擾、低能耗,計(jì)算能力為傳統(tǒng)芯片的一千倍,但功耗僅為其百分之一。因而廣泛應(yīng)用于大數(shù)據(jù)、人臉識(shí)別、安防監(jiān)控、AI 金融、AI 醫(yī)療、自動(dòng)駕駛、無人機(jī)等所有低能耗應(yīng)用領(lǐng)域。

2015 年, 麻省理工學(xué)院研究者研制出一種可以與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)結(jié)合進(jìn)行深度學(xué)習(xí)的新型光學(xué)計(jì)算芯片（3]。2017 年,普林斯頓大學(xué)研究者研制出第一枚光子神經(jīng)形態(tài)芯片[4],其依靠入射光線的明暗實(shí)現(xiàn)運(yùn)算,這個(gè)過程不需電力運(yùn)作,不損耗能源。德國(guó)研究人員在毫米級(jí)光子芯片上搭建了全光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò), 且網(wǎng)絡(luò)內(nèi)不存在光電轉(zhuǎn)換[5]。清華、北大、北交大等高校博士組成的研究團(tuán)隊(duì)成功研發(fā)第一枚國(guó)產(chǎn)光子人工智能芯片[6]。中科院研發(fā)的云端人工智能芯片理論峰值速度, 已達(dá)每秒128 萬億次定點(diǎn)運(yùn)算[7]。

2.2 機(jī)器視覺與計(jì)算機(jī)視覺

機(jī)器視覺是應(yīng)用價(jià)值最高的人工智能技術(shù),它使機(jī)器“開眼看世界”,實(shí)現(xiàn)“從識(shí)人知物到辨識(shí)萬物”。機(jī)器視覺就是用機(jī)器代替人眼進(jìn)行測(cè)量和判斷,它綜合了模擬、數(shù)字電子、計(jì)算機(jī)、圖像處理、傳感器、機(jī)械工程、光源照明、光學(xué)成像等跨學(xué)科前沿技術(shù)。機(jī)器視覺具有準(zhǔn)確性、客觀性、穩(wěn)定性等特點(diǎn),在安防及交通攝像頭、無人駕駛、金融、醫(yī)療等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

計(jì)算機(jī)視覺就是利用計(jì)算機(jī)和其輔助設(shè)備模擬人的視覺功能識(shí)別、跟蹤和測(cè)量目標(biāo)并進(jìn)行圖形處理。美國(guó)麻省理工學(xué)院研究者將人工智能和光學(xué)技術(shù)結(jié)合研發(fā)的“密集對(duì)象網(wǎng)絡(luò)（DON]”系統(tǒng),可以使機(jī)器人更好地理解和操縱物體,甚至是它們從未見過的隨機(jī)物體[8]。

2.3 光電傳感器

傳感器是人工智能獲取信息的重要器件,是人工智能技術(shù)的硬件基礎(chǔ)。傳感器技術(shù)是人工智能與萬物互聯(lián)的必備條件,傳感器是人工智能的核心部件,它如同人類的五官,采集和轉(zhuǎn)換外界信息。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電器件組成,其功能就是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

光電傳感器體積小、重量輕、易升級(jí),傳輸沒有測(cè)量誤差,應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛,常見的如智能停車系統(tǒng)、智能水表、智能交通、智能 家居、可穿戴設(shè)備 等。當(dāng)前研究的熱點(diǎn)是智能光電傳感器,它集成了人工神經(jīng)網(wǎng)、人工智能、信息處理等技術(shù),較傳統(tǒng)傳感器反應(yīng)速度更快、精度更高、重量更輕、能耗更低,成為人工智能的關(guān)鍵因素[9]。

2.4 光儲(chǔ)存

光儲(chǔ)存是人工智能的重要基石。人工智能應(yīng)用必須依靠海量數(shù)據(jù),爆炸式增長(zhǎng)的數(shù)據(jù),對(duì)承載數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)設(shè)施性能及能耗等提出了更高的要求, 依靠磁硬盤驅(qū)動(dòng)器的傳統(tǒng)存儲(chǔ)難以滿足之一需求,新一代光存儲(chǔ)技術(shù)由此“大顯神通”。

光存儲(chǔ)的原理就是利用光子與物質(zhì)的作用,將圖像、語言、文字以及相關(guān)數(shù)據(jù)等各種信息記錄下來,應(yīng)用時(shí)再讀出。光學(xué)存儲(chǔ)芯片不發(fā)熱,硬盤設(shè)備功耗低。當(dāng)前,大數(shù)據(jù)和云存儲(chǔ)技術(shù)已經(jīng)支撐人工智能在安防領(lǐng)域應(yīng)用。全息光存儲(chǔ)具有超大存儲(chǔ)容量、超高的存儲(chǔ)密度和越快的存取速度,成為研發(fā)重點(diǎn)。貝爾實(shí)驗(yàn)室的衍生公司Inphase 公司已經(jīng)在這一領(lǐng)域取得突破。

3 光電技術(shù)在人工智能領(lǐng)域應(yīng)用趨勢(shì)預(yù)見

進(jìn)入人工智能時(shí)代,現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)也進(jìn)入了爆發(fā)期。光電技術(shù)的智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化、多功能化趨勢(shì)日益顯現(xiàn),在人工智能領(lǐng)域應(yīng)用呈現(xiàn)出如下特點(diǎn)。

3.1 交叉引領(lǐng),融合應(yīng)用

人工智能領(lǐng)域與光電技術(shù)交叉滲透、融合發(fā)展是基本趨勢(shì)。諸多人工智能需要解決的問題, 也正在是光電技術(shù)的發(fā)展需要解決的問題。

美國(guó)斯坦福大學(xué)研究直接在光學(xué)芯片上訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),讓光學(xué)電路實(shí)現(xiàn)基于電子的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵功能,從而實(shí)現(xiàn)成本更低、速度更快、能耗更低地執(zhí)行任務(wù)[10]。

科學(xué)家正在研究應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)改善傳統(tǒng)的光學(xué)和光電技術(shù)。通過將機(jī)器學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入視覺技術(shù)中形成人工智能視覺技術(shù),顯著提升數(shù)據(jù)處理量和速度。醫(yī)學(xué)成像引入人工智能通過胸部X 光檢查診斷肺炎,精度比人類放射科醫(yī)生更好。我國(guó)科學(xué)家發(fā)明的基于激光成像技術(shù)和人工智能的監(jiān)控系統(tǒng), 可在45 公里遠(yuǎn)處實(shí)施目標(biāo)識(shí)別[11]。

3.2 集成微型,高效低耗

諸多技術(shù)集成是人工智能技術(shù)的顯著特點(diǎn), 設(shè)備或器件微型化、多功能化、集成化和低能耗是人工智能領(lǐng)域光電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。

光芯片集成化和微型化已經(jīng)實(shí)現(xiàn)突破。IBM 研發(fā)整合光路到硅基板上,實(shí)現(xiàn)“口袋一樣小的裝置能擁有自動(dòng)駕駛車一樣的運(yùn)算能力”[12]。中國(guó)信科研制的100G 硅光收發(fā)芯片, 在不到30平方毫米的硅芯片集成近60 個(gè)光器件[13]。

光電傳感器的方向?yàn)槎喙δ芑?、終端應(yīng)用集成化。隨著精密加工、微電子、集成電路等技術(shù)的發(fā)展及新材料的應(yīng)用,光電傳感器中的一些器件尺寸已走向微米級(jí)甚至納米級(jí)。半導(dǎo)體蒸鍍技術(shù)、光刻技術(shù)、精密微加工及組裝技術(shù)等日益突破,同一基板整合諸多敏感器件不再是難題。可以預(yù)見,微型化、多功能化、集成化和低能耗、智能化的光電傳感器將逐步取代傳統(tǒng)的傳感器。

3.3 智能驅(qū)動(dòng),開源開放

智能化、自動(dòng)化和數(shù)據(jù)化、網(wǎng)絡(luò)化是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院和蘇黎世大學(xué)研發(fā)的具有“機(jī)器學(xué)習(xí)”功能的光聲掃描儀,可以從“稀疏數(shù)據(jù)”中生成高質(zhì)量圖像。勞倫斯·伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和加利福尼亞大學(xué)伯克利分校研究者使用機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提高同步加速器光束性能的穩(wěn)定性[14]。

開源開放已成人工智能領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。當(dāng)前研發(fā)方向是實(shí)現(xiàn)開源深度學(xué)習(xí)平臺(tái)與人工智能芯片結(jié)合,構(gòu)筑“芯片+操作系統(tǒng)”生態(tài)。光學(xué)芯片、智能視覺等必將順應(yīng)這一趨勢(shì),在構(gòu)建人工智能生態(tài)系統(tǒng)過程中,實(shí)現(xiàn)自身新突破新發(fā)展。

3.4 迭代升級(jí),催變生新

人工智能時(shí)代也是技術(shù)大爆發(fā)的時(shí)代, 包括人工智能技術(shù)在內(nèi)的諸多技術(shù)持續(xù)迭代升級(jí),不斷催變生新。

傳統(tǒng)光學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相結(jié)合產(chǎn)生智能光學(xué),在天文、軍事、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用[15]。

光速深度學(xué)習(xí)正在成為現(xiàn)實(shí)。加州大學(xué)洛杉磯分校研究使用3D 打印生成“全光學(xué)”人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),可以分析大量數(shù)據(jù)并以光速識(shí)別目標(biāo),開辟了光速深度學(xué)習(xí)新境界[16]。

新一代智能光電傳感器將具有分析、判斷、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)的功能。近年研發(fā)的基于雙目視覺技術(shù)的3D 感測(cè)方案,具有低功耗、高靈敏度特點(diǎn),在機(jī)器人和VR 等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[17]。

荷蘭埃因霍芬理工大學(xué)光子集成研究所開發(fā)的“全光開關(guān)”,數(shù)據(jù)寫入比現(xiàn)有技術(shù)快成百上千倍,還不需耗費(fèi)能量[18]。美國(guó)麻省理工學(xué)院研發(fā)的“密集對(duì)象網(wǎng)絡(luò)(DON)”系統(tǒng)可以幫助機(jī)器人在雜亂的環(huán)境中拾取特定物體,理解物體的方向系統(tǒng)[19]。

4 結(jié)論

人工智能的發(fā)展并非一蹴而就, 也非某一兩項(xiàng)技術(shù)支撐,需要多項(xiàng)技術(shù)共同發(fā)力。光電技術(shù)在人工智能領(lǐng)域應(yīng)用占據(jù)重要席位,兩者相互促進(jìn)、相互交融,不斷推陳出新,迭代升級(jí)。隨著光電技術(shù)在集成化、微型化、低功耗化、多功能化和智能化等方面不斷取得突破和進(jìn)展,將更好的助力人工智能的未來。