Ученые Калифорнийского университета создали «умный фильтр», который отлично работает даже с камерами дешевых смартфонов. Микроскопический девайс может преобразовывать снимки с низким разрешением в сверхрезкие изображения без бликов и других проблем.

Классные снимки для каждого

Экспериментальный двухмерный полупроводниковый материал разработал Сянфэн Дуан, профессор химии и биохимии Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе.

Инновационный чип имеет размеры 10 на 10 миллиметров и матрицу 100 на 100 пикселей. Толщина пластины — всего несколько атомов. Это означает, что чип абсолютно прозрачный.

Новое устройство было описано в статье, опубликованной в журнале Nature Communications 18 марта 2024 года.

Любой из 10 000 пикселей в фильтре — это оптоэлектронный нейрон. Название это принадлежит создателям устройства, и возможно, когда технология будет отработана, оно поменяется.

Каждый пиксель состоит из прозрачного фототранзистора, трансформирующего пойманные частицы света в электроны. Кроме того, на фильтре смонтирован жидкокристаллический модулятор. Он образует единый слой, когда пиксели консолидируются. В свою очередь, этот слой подключен к массиву электродов.

Схема матрицы со всеми нейронами, подключенными к общим Vdd и GND электродам

Данная система предназначена для оптических вычислений. Она реагирует на окружающий свет и производит настройку пикселей так, чтобы они стали частично или полностью непрозрачными. Это нужно для того, чтобы оптимально (или выборочно) сократить количество чрезмерно ярких пятен или убрать блики.

Эксперименты калифорнийских ученых заключались в том, что они соединили камеру смартфона и свой чип с оптоэлектронными нейронами. В итоге им удалось уменьшить блики на снимках и повысить резкость.

По словам изобретателей, у открытой ими технологии — большее будущее. Оно дает возможность не только значительно повысить качество фотоснимков со смартфонов, но и использовать чип в других важных сферах. Например, в системах обнаружения в автомобилях с автопилотом. Кроме того, фильтр может помочь находить микроскопические дефекты на сборочных линиях роботов. Данные устройства из-за своей цены недоступны обычным людям, в основном они задействованы в научной и промышленной сфере.

Недорогое устройство размером в пару сантиметров может заставить маломощную камеру работать как фотоаппарат с высоким разрешением. Наш фильтр откроет доступ к улучшенным изображениям для людей с любым достатком, — Айдоган Озкан, профессор электро- и вычислительной техники Калифорнийского университета.

За этим будущее

Расчеты на основе света — это крайне перспективная технология, которая только-только начинает развиваться. Поэтому множество ученых ведут эксперименты в этой области, создавая прототипы новых устройств и микрочипов. Вот пара интересных примеров.

Совсем недавно исследователи из Пекинского университета информационных наук и технологий разработали крошечный модульный чип, который питается не от электричества, а от света. В будущем китайские ученые планируют использовать свои чипы для запуска и обучения AGI.

AGI — это еще не созданная модель ИИ, можно сказать, следующая ступень. В теории AGI должен быть умен как человек и обладать когнитивными способностями к рассуждению, что совершенно не имеют нынешние варианты ИИ. AGI может применяться во многих дисциплинах, в то время как существующие системы искусственного интеллекта способны использоваться только в очень узком кругу. Некоторые эксперты считают, что до появления таких систем пройдет еще много лет, а ключевым препятствием является нехватка вычислительных мощностей. В то же время другие ученые уверены, что AGI-агент будет создан уже в 2027 году.

Со временем оптические чипы должны вытеснить традиционные на основе кремния

Ученые из Пенсильванского университета разработали оптический микрочип. Даже на уровне прототипа изобретение способно на порядок ускорить обучение моделей искусственного интеллекта. Это связано с тем, что фотоны, которые используются в оптических (визуальных) вычислениях, движутся гораздо быстрее, так как представляют собой частицы света.

Конечно, теоретически электроны тоже можно разогнать до близких к свету скоростей. Однако это потребует просто невообразимое количество энергии. Все земные электростанции столько не вырабатывают.

Поэтому фотоны имеют огромное преимущество перед электронами. Помимо меньшей энергоемкости, фотоны не имеют массы и не выделяют тепло, как электроны, несущие на себе электрический заряд. Это означает колоссальную экономию на охлаждении устройств.

Устройство без проблем

Но вернемся к микрочипу, который кардинально улучшает качество фотографий. Создатели умного фильтра говорят, что это отличное инновационное устройство по двум очень важным причинам.

С одной стороны, как правило, вычисления на основе света требует мощных инфракрасных лазеров. Они работают в узкой полосе электромагнитного спектра и со временем поглощают свет, что может замедлить время обработки данных. С другой стороны, конечно, существуют альтернативы в виде энергоэффективных материалов. Они поглощают массу света, но совершенно бесполезны, когда требует прозрачность, а для той же фотографии они слишком толстые.

В свою очередь новый умный фильтр умеет использовать рассеянный свет, которого полно везде. Ему не нужны лазеры для работы. И толщина у него минимальная, всего несколько атомов, а значит, с прозрачностью все в порядке. А теперь традиционная ссылка на оригинальное исследование. Там очень букв и формул. Очень много. Тут!