Fotonik Moore Yasasını Yaşatabilir mi?

Moore yasası, entegre bir devredeki transistör sayısının bilgisayar gücüyle birlikte yaklaşık her iki yılda bir artacağını belirtir. Bu ilke 1965'ten beri büyük ölçüde doğrudur. Ancak, Intel'in kurucu ortağı Gordon E. Moore'un çiplerin minyatürleştirme sınırlarına ulaşacağını ve bunun da hesaplama gücünün gerilemesine neden olacağını hiç düşünmediğini varsayabiliriz.

Neyse ki, Kaliforniya Üniversitesi'nden bir mühendis ekibi, boyuttan ödün vermeden daha fazla hesaplama gücü sağlamak için fotonik kullanan yeni bir yöntem geliştirdi. Bilmeniz gerekenler şunlardır.

Küçült onları

Dünya, icat edildikleri günden bu yana bilgisayarları küçültme arayışında. Büyük anne ve büyük babalarınızdan bazıları bilgisayarların çalışması için bir oda ve birçok insan gerektiği zamanları bile hatırlayabilir. Bugün, akıllı saatiniz bu devlerden daha fazla hesaplama gücü sağlıyor ve bu, mikrobilgisayar açısından buzdağının sadece görünen kısmı. Bir odanın tamamından günümüzün mikroelektroniğine kadar olan yolculuk, deneyler, keşifler ve bazen başarısızlıklarla dolu heyecan verici bir yolculuk oldu.

Fiziksel ve Maliyet Sınırlamaları

Özellikle, bu tür mikroskobik bileşenlerin üretiminin maliyet açısından engelleyici olduğu bir nokta var. Çoğu araştırmacıya göre, pazar bu noktaya ulaştı. Ek olarak, hesaplama kazanımları Moore yasasıyla uyumlu değil çünkü daha küçük yongalar daha büyük muadilleriyle orantılı hesaplama gücü sağlayamıyor.

Bu nedenle, mevcut işlem gücü ile ihtiyaç duyulan güç arasındaki uçurum giderek büyüyor ve bu durum, Nvidia CEO'su Jensen Huang gibi pazardaki bazı tanınmış oyuncuların Moore yasasının öldüğünü ve geleceğin uygulamaya özel işlemciler olduğunu söylemesine yol açıyor.

Yüksek Güçlü Bilgisayarlara Talep

Yapay zeka ve makine öğrenme sistemlerinin ani büyümesi, güçlü bilgi işlem ve bulut platformlarına olan talebi artırdı. Bu talepler, performans açısından çip tasarımını geride bırakarak, AI geliştirme sektöründe inovasyonu sınırlayan bir darboğaz yarattı. Şimdi, günümüzün yüksek güçlü bilgisayar ve AI sistemlerinin talepleriyle uyumlu bir çözüm sağlama yarışı başladı.

Hesaplama Gücü Çözümleri

Bazı analistler, bir çözümün mantık ve işlemeyi aynı çipte barındıran özel çipler yaratmak olduğuna inanıyor. Bu yaklaşım gecikmeyi ve enerji kullanımını azaltmaya yardımcı oluyor ve performansı iyileştiriyor. Ancak, hesaplama sınırlamaları, büyük AI veri gereksinimlerini tartışırken bunu hala ideal olmaktan çıkarıyor.

Bellek Hesaplama

Araştırmacıları heyecanlandıran bir diğer çözüm ise bellek hesaplamasıdır. Bu depolama yöntemi, dönen bir sabit disk yerine hızlı erişimli bir RAM kullanır. Özellikle, bir bilgisayar ağı boyunca RAM, belleği paralel olarak çalıştırmak için ara yazılım kullanılarak kurulur. Bu depolama yöntemi, geleneksel yöntemlerden 5000 kat daha hızlıdır ancak yine de Moore yasasına ayak uyduramaz.

fotonik

Fotonik, araştırmacıların ilgisini çeken bir diğer yüksek güçlü hesaplama yöntemidir. Fotonik, elektronik kullanarak ışık dalgalarını algılayarak çalışır. Bilim, programlanabilir optik ağırlıklar matrisinden geçerken ışığın üretilmesi ve kontrol edilmesi etrafında döner.

Bu ağırlıklar, optik girişlerin bir vektöründe doğrusal bir dönüşüm gerçekleştirmesini sağlayan uçucu olmayan optik modülatörlerin 2B dizisini entegre eder. Bu strateji, RAM hesaplama yöntemlerinden daha hızlı anahtarlama hızları sağlar.

Fotonikte Mevcut Sınırlamalar

Fotoniklerin hesaplamadaki dezavantajlarından bazıları, mevcut sistemlerin yalnızca yaklaşık 1000x yeniden yazılabilmesidir. Bu sınırlı ömür onları pahalı bir seçenek haline getirir. Ek olarak, optik ağırlıklar düşük depolama yoğunluğuna sahiptir ve programlama geleneksel çiplerden daha yavaştır.

Fotonik hesaplama sistemleri çeşitli biçimlerde ve tasarımlarda gelir. Ancak, bu sistemler benzerlerinden çok daha pahalı olan özel üretim süreçleri gerektirir. Maliyet kısıtlamalarına rağmen, birçok araştırmacı fotoniğin hesaplamanın geleceği olduğuna ve Wright yasasının uygulanmasının anahtarı olduğuna inanmaktadır.

Wright Yasası

Ayrıca, yarı iletkenleri geliştirme yeteneğimizde rol oynamaya devam edecek olan Wright yasası da var. Bu yasa, havacılık mühendisi Theodore Paul Wright tarafından ortaya atılan bir üretim ilkesidir. Bir uçak üretim tesisinde çalışırken, üretim seviyeleri artsa bile üretim süreçleri iyileştikçe işgücü gereksinimlerinin %15 azaldığını fark etti.

Bu maliyet tasarrufları, üretim sırasında yapılan iyileştirilmiş süreçlerden, teknolojiden, kurtarma sistemlerinden ve diğer yükseltmelerden kaynaklanmıştır. Bu nedenle, birçok analist Wright yasasının fotonikleri gelecekte daha ulaşılabilir ve daha az maliyetli bir seçenek haline getirmeye yardımcı olacağına inanmaktadır.

Wright Yasası'nın AI sektöründe halihazırda gerçekleştiğini görebilirsiniz. Birkaç yıl önce, ortalama bir insanın bir AI sistemine erişmesi veya onu çalıştırması imkansız olurdu. AI modelleri oluşturmak, bunları yönetmek ve yükseltmek çok pahalıydı. Ayrıca, hiç kimse AI'nın insanlarla etkileşime girmesi için güvenilir bir yol yaratmamıştı.

Ancak ChatGPT gibi programlar piyasaya çıktığından beri, herkes artık bu güçlü araçları verimliliğini ve yaratıcılığını geliştirmek için kullanabilir. Bu sistemler, herkesin basit sohbet komutlarından çalıştırmasını kolaylaştıran büyük dil modellerini entegre eder. Bu gelişme, AI benimsenmesini tavan yaptırarak mevcut hesaplama gücü kıtlıklarına yol açtı.

Fotonik Çalışması

Çalışma "Fotonik bellek içi bilgi işlem için ultra yüksek dayanıklılığa sahip entegre karşılıklı olmayan manyeto-optikler""¹  Nature Photonics dergisinde yayınlanan araştırma, piyasada devrim yaratabilecek yeni bir optik hesaplama yöntemini ortaya koyuyor. Çalışma, bellek içi fotonik hesaplama için optik ağırlıkların kodlanmasını ayrıntılı olarak ele alıyor.

Kaynak – Doğa

Araştırmacılar hesaplama hedeflerine ulaşmak için manyeto-optik bellek hücreleri ve rezonans tabanlı bir fotonik mimari kullanmayı seçtiler. Strateji, fotonik bellek içi hesaplamayı uygulamak için bir araç olarak manyeto-optik malzemelerdeki karşılıklı olmayan faz kaymasına dayanır.

Yeni bir matematiksel model, ekibin manyeto-optik malzemeleri test etmesini sağladı. Seryum-ikameli itriyum demir garnetinin (YIG), ışığın yayılmasını kontrol etmek için harici bir manyetik alan kullanmalarını sağladığını buldular. Bu kontrollü ışık daha sonra hesaplamalar yapmak için kullanılabilirdi.

Çalışma, minik mıknatısların verileri ne kadar verimli bir şekilde depolayabildiğini ve verilere yıldırım hızında erişebildiğini gösterdi.

Mıknatısları kodlama süreci, ünitenin manyetik alan gücünü ayarlayarak çalışır. Cihazı çalıştırmak için, elektronik sinyaller programlama ve depolama için elektro-optik (E/O) modülatörler kullanılarak optik alana dönüştürülmelidir. Buradan, Dengeli fotodedektörler (BPD'ler) diferansiyel optik sinyali tekrar elektrik sinyaline dönüştürür, böylece CMOS mantığı bunu SRAM ile birlikte işleyebilir.

Fotonik Testi

Uçucu olmayan manyeto-optik bellek hücrelerini test etmek için araştırmacı çeşitli yaklaşımlar kurdu. İki pozitif ve iki negatif optik ağırlık elde etmelerini sağlayan 2 bitlik bir elektrik girişiyle başladılar. Oradan, değişiklikleri izlemek için manyetik alan manipüle edildi.

Serium-ikameli İtriyum Demir Garnet (YIG),

Test aşaması için 500 °C'de radyo frekanslı püskürtme yöntemi kullanılarak 750 nm kalınlığında tek kristalli bir YIG laboratuvarda büyütüldü. Ekip özellikle 35 µm halka yarıçaplı bir gofret kullanmaya karar verdi. Ayrıca, silikon katmanını Ce:YIG katmanından ayırmanın bir yolu olarak 10 nm inceliğinde bir silikon oksit katmanı entegre edildi.

Fotonik Programlama

Bellek hücresinin durumunu programlamak, entegre bir altın elektromıknatıs tarafından sağlanan radyal düzlem içi manyetik alan gerektirir. Sistem, ferromanyetik ince film aracılığıyla uygulanan yöne ve manyetik alana bağlı olarak optik kayıp değişimlerini elektronik olarak ölçebilir.

Bu düzenleme, mühendislerin bellek hücresinde karşılıklı olmayan bir optik faz kayması oluşturmasına olanak tanıyan programlanabilir, uçucu olmayan bir manyetik alan yaratır. Özellikle, çalışma, hesaplamalı verileri programlamak ve erişmek için bir araç olarak bir mikro halka rezonatörünün hem saat yönünde (CW) hem de saat yönünün tersine (CCW) modlarını belgelemiştir.

Fotonik Yaşam Döngüsü

Belleğin yaşam döngüsünü test etmek bir diğer adımdı. Ekip, yaklaşımlarının bir parçası olarak yazma ve silme darbeleri arasında geçiş yapan keyfi bir fonksiyon üreteci programladı. Sistem 10 kHz hızında ayarlandı. Mühendisler daha sonra gerçek dünyadaki yeniden yazmayı kopyalamak için ±5 V genlik ve 500 ns darbe genişliği kullandılar. Sonuçlar göz açıcıydı.

Fotonik Sonuçları

Test sonuçları, bu yeni fotonik yönteminin hesaplamayı sonsuza dek nasıl değiştirebileceğini gösterdi. Birincisi, yeni sistem neredeyse sınırsız yeniden yazma yetenekleri gösterdi. Özellikle, 2.4 milyar programlama döngüsü elde edildi.

Ek olarak, mühendisler manyeto-optik malzemelerde karşılıklı olmayan faz kaymalarının kullanılmasının, bunların hızlı ve verimli bir şekilde deterministik olarak programlanmasına izin verdiğini belirlediler. Veriler, ~1 GHz'lik bir programlama hızının mümkün olduğunu gösterdi. Ek olarak, ekip, mevcut yöntemleri aşan, uçucu olmayan, çok seviyeli kodlamayı başardı. Sonuç olarak, bu araştırma bilgisayar pazarında ileride devrim yaratabilir.

Fotonik Faydaları

Fotonik çalışmasını oyunun kurallarını değiştiren birçok fayda vardır. Birincisi, yeni sistem muazzam hesaplama gücü gerektiren karmaşık işlemler gerçekleştirebilir. Bu sistemler, matris-vektör çarpımı ve diğer gelişmiş bilimler gerektiren AI ve ML işlemleri için idealdir.

Azaltılmış Gecikme

Bilim insanları, fotoniklerin geleneksel seçeneklere kıyasla daha yüksek hızlar sağladığını buldu. Test aşaması 1 ns bellek erişimini ortaya çıkardı. Bu oran, önceki fotonik cihazlardan 100 kat daha hızlıdır ve yeni bir inovasyon seviyesinin kapısını açar.

Daha Düşük Enerji Tüketimi

Enerji verimliliği, fotonik sistemin pazara getirdiği bir diğer avantajdır. Bu sistem, diğer seçeneklerin güç gereksinimlerinin çok daha azında belleği yeniden programlayabilir ve erişebilir. Ekip, bit başına 143 fJ'lik bir verimlilik elde ederek yeni sistemin gereksinimlerini diğer fotonik seçeneklerinin 1/10'u seviyesine getirdi.

Yeniden programlanabilir

Fotonik araştırmalarının en büyük avantajlarından biri, bu cihazların neredeyse sonsuz bir yeniden programlanabilirlik döngüsüne sahip olduğunun ortaya çıkmasıdır. Başka hiçbir bilgi işlem depolama seçeneği kullanıcılara verileri +2Bx yeniden yazma yeteneği sunmaz. Bu nedenle, bu bilimsel araştırmanın veri merkezleri üzerinde yankı uyandıran bir etkisi olabilir.

Fotonik Araştırmacıları

Fotonik araştırmasına Santa Barbara, John Bowers ve Galan Moody liderlik etti. Paolo Pintus, Nathan Youngblood, Yuya Shoji ve Mario Dumont da fotonik sisteminin araştırma ve geliştirmesinde önemli roller oynadı. Şimdi ekip, yarının yapay zeka devrimine güç verecek en iyi seçeneği bulmak için araştırmalarını diğer malzemelere doğru genişletmeye çalışacak.

Fotonik Araştırmalarından Yararlanabilecek Şirketler

Ürünlerini ve hizmetlerini geliştirmek için bu araştırmadan yararlanabilecek çeşitli şirketler var. Bulut bilişim ağları ve veri merkezleri, bu teknolojiyi uygulayabilirlerse gelirlerinde büyük artışlar görecek iki belirgin sektördür. İşte bu bilgiyi kaldıraçlamak için mükemmel bir konumda olan bir firma.

Kar taneciği

Kar taneciği (KAR + 2.51%) 2012 yılında bulut bilişim pazarına girdi. Merkezi Montana'dadır ve pazara yüksek performanslı bulut bilişim sağlamak için Benoît Dageville, Thierry Cruanes ve Marcin Żukowski tarafından kurulmuştur. Günümüzde Snowflake, şirketlerin bulutta veri depolamasını, taşımasını ve işlemesini sağlamada önemli bir rol oynamaktadır.

Snowflake, inovasyona, son teknoloji hizmetlere ve konumlandırmaya olan bağlılığı nedeniyle birçok kişi tarafından en iyi hisse senedi seçimi olarak görülüyor. Şirket, yakın zamanda Aiby 2029'da milyonlarca çalışanın becerilerini geliştirmeyi amaçlayan One Million Minds + One Platform girişimi nedeniyle manşetlere çıktı.

Snowflake, bulut bilişim sektöründeki en itibarlı isimlerden biridir. Şu anda günlük +4.2 milyar sorguyu ele alıyor ve Forbes listelerine giren 10,000 şirket dahil olmak üzere +800 müşterisi var. Bu destek ve müşteri tabanı, şirketin hisselerine olan ilgiyi artırabilir.

Snowflake bir veri merkezinde fotonik depolama sistemi uygulayabilseydi, muazzam yatırım getirileri görebilirdi. Sistem daha az yer kaplar, daha az enerji gerektirir ve çok daha az ısı üretirdi. Ayrıca, müşterilerine daha az gecikme sunabilmenin yanı sıra sınırsız bir yeniden yazma ömrüne sahip olurlardı. Bu da geliri artırabilirdi.

Fotonik – Bilgisayarı Bir Üst Seviyeye Taşımak İçin Işığı Kullanmak

Fotonik, dünyanın yeni bir düzeyde hesaplama anlayışının kilidini açmak için ihtiyaç duyduğu şey olabilir. Bu teknoloji, mühendislerin bugün aradığı uzun ömürlülüğü ve sürdürülebilirliği sunuyor. Sonuç olarak, birçok kişi bu araştırmayı AI hareketi için hayati olarak görüyor. Tüm bu faktörler, Fotonik hesaplama hareketinin tam zamanında olduğu anlamına geliyor.

Diğer harika bilgisayar projelerini öğrenin okuyun.

Çalışma Referansı:

^{1. Pintus, P., Dumont, M., Shah, V., ve diğerleri (2025). Fotonik bellek içi hesaplama için ultra yüksek dayanıklılığa sahip entegre karşılıklı olmayan manyeto-optik. Doğa Fotonik, 19(1), 54-62. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01549-1}