Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, joka tekee tekoälylaskennasta huomattavasti nopeampaa ja energiatehokkaamampaa. Salaisuus piilee valossa.
Teksti: Martti Asikainen, 8.12.2025 | Kuva: Adobe Stock Photos
Aalto-yliopiston tutkijat ovat onnistuneet tekemään jotain, mikä kuulostaa tieteisfiktiolta: he suorittavat monimutkaisia tekoälylaskentoja puhtaasti valon avulla. Tulos on hämmästyttävä – operaatiot, joihin perinteisiltä tietokoneilta menee useita vaiheita, tapahtuvat nyt yhden valon välähdyksen aikana.
Tutkijatohtori Yufeng Zhangin johtama kansainvälinen tiimi kehitti POMMM-järjestelmän (parallel optical matrix-matrix multiplication), joka hyödyntää valonsädettä nykyaikaisen tekoälyn vaatimiin matemaattisiin laskutoimituksiin. Tutkimus julkaistiin arvostetussa Nature Photonics -lehdessä marraskuussa 2025.
Läpimurto tulee kriittiseen aikaan. Tekoälyjärjestelmät nielevät yhä enemmän energiaa – ChatGPT:n kaltaisten suurten kielimallien kouluttaminen voi kuluttaa megawattitunteja sähköä. Samalla nopeus, virrankulutus ja lämmöntuotto asettavat rajat tekoälyn laajamittaiselle käytölle.
Nykyiset tekoälyjärjestelmät tukeutuvat grafiikkasuorittimiin, jotka pilkkovat laskutoimitukset miljooniksi peräkkäisiksi vaiheiksi. Se vie aikaa ja kuluttaa runsaasti energiaa.
Aalto-tutkijoiden kehittämä menetelmä toimii täysin eri tavalla. Data koodataan valon aaltojen ominaisuuksiin – niiden kirkkauteen ja ajoitukseen. Kun valoaallot kohtaavat ja vuorovaikuttavat keskenään, ne suorittavat tarvittavat matemaattiset operaatiot luonnostaan ja samanaikaisesti.
– Menetelmämme tekee samoja laskutoimituksia kuin nykyiset grafiikkasuorittimet, mutta valon nopeudella. Elektroniikan sijaan käytämme valon fysikaalisia ominaisuuksia suorittamaan monia laskutoimituksia yhtä aikaa, Zhang selittää Aallon lehdistötiedotteessa.
Zhang havainnollistaa eroa konkreettisella esimerkillä.
– Kuvittele tullivirkailija, joka tarkastaa jokaisen paketin eri laitteilla ja lajittelee ne oikeisiin lokeroihin. Normaalisti käsittelisit yhden paketin kerrallaan. Meidän menetelmämme yhdistää kaikki paketit ja kaikki koneet – yhdellä valon läpikululla kaikki tarkastukset ja lajittelut tapahtuvat samanaikaisesti, hän kertoo.
Tutkijat testasivat järjestelmäänsä laajasti ja vertasivat sitä tavallisiin grafiikkasuorittimiin. Tulokset olivat lupaavia: tarkkuus oli korkea ja virheprosentti alle 10 %.
Ratkaisevaa oli, että järjestelmä pystyi ajamaan valmiita neuroverkkoja mukaan lukien kehittyneitä kuvantunnistusjärjestelmiä ilman mitään muutoksia. Suurin testattu laskutoimitus sisälsi yli 9000 elementtiä, mikä vahvisti järjestelmän kyvyn käsitellä todellisten tekoälysovellusten vaatimia monimutkaisia laskutoimituksia.
Kaikkiaan järjestelmä osoittautui myös monipuoliseksi. Käyttämällä useita valon aallonpituuksia samanaikaisesti tutkijat pystyivät suorittamaan vieläkin monimutkaisempia operaatioita yhdellä läpikululla.
Nykyinen prototyyppi rakennettiin valmiista optisista komponenteista, ja sen energiatehokkuus on jo 2,62 giga-operaatiota joulea kohti. Kun teknologia integroidaan suoraan fotonisiin piireihin, niin sen tehokkuus tulee paranemaan nykyisestä merkittävästi.
Aalto-yliopiston fotoniikkaryhmän johtaja professori Zhipei Sunin mukaan lähestymistapaa on mahdollista hyödyntää lähes millä tahansa optisella alustalla.
– Tulevaisuudessa integroimme tämän suoraan fotonisiin piireihin. Silloin valoon perustuvat prosessorit voivat suorittaa monimutkaisia tekoälytehtäviä erittäin pienellä virrankulutuksella, hän kertoo.
Tutkijatohtori Zhang arvioi, että teknologia voisi olla kaupallisilla alustoilla jo 3-5 vuoden kuluttua. Suuret teknologiayritykset kehittävät jo fotonista laitteistoa, mikä nopeuttaa käyttöönottoa huomattavasti.
– Tämä luo uuden sukupolven optisia laskentajärjestelmiä, jotka mullistavat tekoälyn käytön lukuisilla aloilla”, Zhang lupaa.
Tutkimus toteutettiin yhteistyössä Shanghai Jiao Tong -yliopiston, Aalto-yliopiston ja Kiinan tiedeakatemian kanssa.
Finnish AI Region
2022-2025.
Media contacts