Silikon Fotoniği ile Işık Hızında Hesaplama

Pensilvanya Üniversitesi'nden mühendisler, yapay zekayı (AI) eğitmek için gerekli karmaşık matematik işlemlerini gerçekleştirmek üzere elektrik yerine ışık dalgalarını kullanan bir çip geliştirdiler. Bu yenilik, işlemeyi önemli ölçüde hızlandırabilir ve cihazların enerji kullanımını azaltabilir.

Çalışma, Nature Photonics'te yayınlandı, bunun silikon fotonik (SiPh) platformu üzerinde "ters tasarlanmış düşük indeksli kontrastlı bir yapı" olduğunu ve potansiyel olarak büyük ölçekli dalga tabanlı analog bilgi işlem platformlarını mümkün kıldığını gösteriyor.

Silikon fotoniği, bilgisayar çiplerinin seri üretiminde kullanılan, bol miktarda bulunan ve ucuz bir element olan silikonu kullanır ve fotodetektörler, optik anahtarlar, optik dalga kılavuzları ve optik modülatörler gibi bileşenleri silikon bir alt tabaka üzerinde birleştirir.

Bu çalışmadaki silikon fotonik (SiPh) çip, ışık kullanarak matematiksel hesaplamalar gerçekleştirmek için nano ölçekteki malzemeleri yönetiyor. Işık dalgalarını maddeyle etkileşime sokan bu yöntem, günümüz çiplerinin mevcut sınırlamalarını aşan bilgisayarlar geliştirmeyi vaat ediyor.

H. Nedwill Ramsey Profesör Nader Engheta, Elektrik ve Sistem Mühendisliği alanında Doçent olan Firooz Aflatouni'nin araştırma grubu tarafından nano ölçekli silikon cihazların geliştirilmesine işaret ederek, "Güçlerimizi birleştirmeye karar verdik" dedi.

Amaç, mevcut yapay zeka araçlarını destekleyen sinir ağlarının geliştirilmesinde ve işlevinde kullanılan vektör matris çarpımını (VMM) gerçekleştirecek bir platform geliştirmekti. 

Araştırmaya göre, ters tasarlanmış SiPh metayapıları elektromanyetik dalgalarla analog hesaplamaları verimli bir şekilde gerçekleştirirken, çok sayıda veri kanalını yönetmek için bunların ölçeklendirilmesi bir zorluk teşkil ediyor. Bu sorunu çözmek için ekip, tipik olarak ileri beslemeli ve düşük rezonanslı kompakt amorf lens sistemleri oluşturmak için 2 boyutlu ters tasarım yaklaşımını benimsedi. Çalışma, 2 × 2 ve 3 × 3 matrisler için bir vektör-matris çarpımını başarılı bir şekilde gösterdi ve ayrıca 10 × 10'luk bir matris tasarladı.

Ekip, aynı yükseklikte bir silikon tabaka kullanmak yerine, silikonu belirli alanlarda seçici olarak inceltti. Bu yükseklik değişimleri, çip aracılığıyla ışık iletiminin kontrol edilmesini sağlar.

Çip, bu varyasyonları dağıtarak ışığı belirli desenlerde dağıtarak, mümkün olan en hızlı iletişim yöntemi olan ışık hızında matematiksel hesaplamalar yapmasına olanak tanıyor.

Aflatouni'ye göre bu tasarım, talaşları üreten ticari dökümhanenin getirdiği kısıtlamalar nedeniyle halihazırda ticari uygulamalar için ayarlandı. Ayrıca tasarım, yapay zeka tutkusuna uygun olarak şu anda büyük talep gören özel bir elektronik devre olan grafik işleme birimlerinde (GPU'lar) kullanılmak üzere potansiyel olarak uyarlanabilir. Aflatouni, Silicon Photonics platformunu eklenti olarak entegre ederek eğitim ve sınıflandırma süreçlerinin hızlandırılabileceğini belirtiyor.

Ancak çipin gizliliği de artırması nedeniyle faydaları hız ve enerji verimliliğinin ötesine geçiyor. Böylece, birçok hesaplamanın aynı anda gerçekleşmesine izin verildiğinden, hassas bilgilerin bilgisayarınızın çalışma belleğinde saklanmasına gerek kalmaz. Bu, böyle bir teknolojiyle desteklenen bir bilgisayarı esasen hacklenemez hale getirir. Aflatuni şunları kaydetti:

"Hiç kimse, bilgilerinize erişmek için var olmayan bir hafızayı hackleyemez." 

Kısmen ABD Hava Kuvvetleri Bilimsel Araştırma Ofisi'nin Multidisipliner Üniversite Araştırma Girişimi ve diğeri ABD Deniz Araştırmaları Ofisi'nden alınan hibe ile finanse edilen bu çalışma, günümüzde kullanılan ve şu ilkelere göre çalışan çiplerin sınırlamalarının üstesinden gelmeyi amaçlıyor: son birkaç on yıldır mevcut. Ancak ışığın gücünden yararlanan bu yeni yaklaşım, yeni nesil yapay zeka gelişiminin önünü açabilir. 

Silikon Fotoniğinin Geniş Potansiyeli

Son birkaç on yıldır bu materyaldeki araştırma ve geliştirmeler devam etti. Ancak son zamanlarda hızlı ve verimli veri işlemeye yönelik artan talep nedeniyle Silikon Fotonik (SiPh) ilgi görmeye başladı.

Bu artan ilgi, silikon fotoniklerin küresel pazar büyüklüğünü de beraberinde getiriyor 1.29'de 2022 milyar dolar değerinde Grand View Research'e göre bu on yılın sonunda %25.8'lik bir Bileşik Büyüme Oranında büyümesi bekleniyor. Bu büyüme, daha yüksek veri aktarım hızlarına ve bant genişliği yoğun uygulamalara olan ihtiyaçtan kaynaklanmaktadır.

Ekonomik verimliliği ve yüksek entegrasyon yoğunluğu nedeniyle SiPh burada mükemmel bir platformdur. Ayrıca SiPh'in elektronik üretimle uyumlu olması nedeniyle SiPh Fotonik entegre devreler (PIC'ler), kurulu dökümhane altyapısı kullanılarak üretilebilir. SiPh ayrıca yüzlerce ila binlerce cihazı CMOS'a benzer bir tasarım ve üretim ölçeklenebilirliğine sahip karmaşık PIC'lere entegre etme potansiyeline sahip olup, fotonik ve bilgi işlemin kesiştiği noktada yeni uygulamaların önünü açmaktadır.

Dolayısıyla, yüksek hızlı iletimi, yüksek entegrasyon yoğunluğu, mükemmel optik özellikleri, daha düşük güç tüketimi ve nispeten ucuz üretimi sayesinde Silikon Fotonik, çeşitli alanlarda değerli bir teknoloji haline geldi. 

Örneğin, otonom sürüş ve endüstriyel otomasyon için LiDAR'da silikon fotoniğin uygulanmasına yönelik araştırmalar devam etmektedir. LiDAR, çevreyle ilgili kritik bilgileri analiz etmek ve iletmek için radyo frekansı (RF) sinyalleri yerine yüzeylerden yansıyan ışığı kullanır.

Ayrıca silikon fotonikler, bir sinyalin iletilmesinin ve iletilen optik sinyalin alınmasının çevredeki ortamın özelliklerinin belirlenmesine yardımcı olabildiği algılama (yani optik algılama) için kullanılabilir. Bu, sağlık uygulamaları ve tüketici sağlığı giyilebilir uygulamaları için faydalı olabilir. 

Otonom araçlar ve algılamanın yanı sıra, silikon fotoniklerin telekomünikasyon, kuantum iletişim, biyomedikal, havacılık, astronomi ve AR/VR alanlarında da kullanımı araştırıldı. Silikon fotoniği aynı zamanda tam entegrasyon ve büyük ölçekli optik kuantum bilgi işleme konusunda da umut vaat ediyor.

Daha sonra yüksek performanslı bilgi işlem gerektiren yapay zeka var. Yapay zeka çılgınlığının yeni zirvelere ulaşması ve daha da büyümesiyle çip endüstrisi acil bir inovasyon ihtiyacıyla karşı karşıya. İşlem gücünü ve enerji verimliliğini önemli ölçüde artırmak amacıyla tek bir çipe daha fazla transistör yerleştirmek için titizlikle çalışıyor. Bu tür iyileştirmeler, yapay zeka algoritmalarının daha doğru, hızlı ve uygun maliyetli bir şekilde eğitilmesi ve çalıştırılması açısından çok önemlidir.

Yarı iletken yarışını kazanmak amacıyla Çin bile hesaplama hızının daha hızlı olması ve bilgi kapasitesinin daha büyük olması nedeniyle mevcut silikon bazlı çiplerden önemli ölçüde daha yüksek olacak bir fotonik çip üretim hattı inşa ediyor.

Yapay Zeka İçin Oyun Değiştirici

Yapay zeka çılgınlığı hiçbir yavaşlama belirtisi göstermiyor. Bu yeni teknolojik ilerleme dalgası, birçok sektörde devrim yaratacak ve geleceği dönüştürecek güçlü bir güç olarak ortaya çıktı. Yapay zekanın hızla günlük hayatımızın ayrılmaz bir parçası haline gelmesi ve veri yoğunluklu uygulamaların giderek karmaşıklaşmasıyla birlikte şirketlerden hükümetlere, kurumlardan bilim insanlarına kadar herkes onu daha verimli hale getirmenin yollarını arıyor. 

Bu, insanları, bir modelin performansının daha doğru olmasını sağlayan makine öğrenimi algoritmalarının bir alt kümesi olan derin sinir ağları tarafından gerçekleştirilen karmaşık ve pahalı hesaplamaların üstesinden gelmek için en umut verici teknolojilerden biri olan silikon fotoniğe yönlendiriyor. Derin ağlar matematiksel ilişkileri içeren katmanlardan oluşur.

Bu tür karmaşıklıklar göz önüne alındığında, silikon fotonik, yapay zeka ve makine öğrenimi uygulamalarının işlevini iyileştirecek şekilde performansı ve maliyet verimliliğini artırmaya yardımcı olabilir. AI/ML dünyası, verilerin mümkün olduğunca az enerji tüketerek hızlı bir şekilde değiş tokuş edilmesine ve aynı zamanda yüksek hesaplama yoğunluğunun korunmasına ihtiyaç duyuyor. 

Burada silikon fotoniği, bilgi işlem birimleri arasında daha iyi iletişim kurulmasına olanak tanır. Malzeme ayrıca, AI/ML uygulamalarında nispeten kısa mesafelerde verileri verimli bir şekilde aktarmak için kısa menzilli optik ara bağlantıların kullanılmasına da olanak tanır. Verilerin hızlı iletimi, gerçek zamanlı karar alma için çok önemlidir. 

Bu şekilde silikon fotoniği, yapay zeka sistemlerinin genel etkinliğine ve performansına katkıda bulunur. Şirketler bu materyalden yararlanarak daha fazla bilgi işlem kapasitesinin kilidini açabilir ve daha doğru ve duyarlı sonuçlara sahip olabilir.

Silikon fotoniği, bu tür devrelerin geleneksel elektronik devrelerden daha hızlı olma yeteneği nedeniyle özellikle hesaplamaya uygundur. Dahası, optik işlemleri doğası gereği paraleldir ve bu da aynı anda birden fazla eylemin gerçekleştirilmesini mümkün kılar. 

Silikon fotoniği aynı zamanda çok karmaşık devreler oluşturmak için temel bileşenlerin çok sayıda kombinasyon halinde bir araya getirilmesine de olanak tanıyarak, belirli uygulamalara göre uyarlanmış gelişmiş sistemlerin oluşturulmasına olanak tanır.

Yapay zeka algoritmalarını ve daha fazla yapay zeka sistemlerinin yeteneklerini dönüştürme potansiyeli göz önüne alındığında, gördüğümüz gibi, yapay zekadaki silikon fotoniğinin geleceği parlaktır. Elbette silikon fotoniği için ilginç bir zaman.

Yapay zekaya yatırım hakkında her şeyi öğrenmek için buraya tıklayın. 

Popüler Çip Üreticilerine Bir Bakış

Şimdi çip üretimi sektöründe öne çıkan birkaç isme göz atalım:

# 1. NVIDIA Corporation

Çip sektörünün lideri Nvidia, şu anda ABD borsasının en değerli üçüncü şirketi. Sonuçta AI çip pazarının yaklaşık %80'ini kontrol ediyor. Hisseleri 793.50 dolardan işlem gören şirket, 1.95 trilyon dolarlık piyasa değerine ulaştı. 

Nvidia'nın hisseleri deli gibi yükseliyor ve şimdiden yılbaşından bu yana %58.6 artış gösterdi. Bununla birlikte şirketin EPS (TTM)'si 11.93, F/K (TTM)'si 65.84 ve ROE'si (TTM) %69.17'dir. Ayrıca %0.02 oranında temettü getirisi de sağlıyor.

Talep dünya çapında endüstriler ve ülkeler arasında artarken, Nvidia dördüncü çeyrek sonuçlarını açıkladı ve geliri üç kattan fazla artarak 22.1 milyar dolara ulaştı. CEO ve kurucu ortak Jensen Huang'a göre:

“Hızlandırılmış bilgi işlem ve üretken yapay zeka devrilme noktasına ulaştı.”

Çiplerine yönelik artan talep, şirketin ilk çeyrek gelirinde %233'lük bir büyüme öngörmesine neden oldu. Şirketin H1 veri merkezi çipi, şirketin yapay zeka alanına liderlik etmesine yardımcı oluyor. Büyük miktarda veri ve hesaplamayı yüksek hızlarda işleyecek şekilde optimize edilmiştir, bu da onu yoğun güç gerektiren yapay zeka modellerini eğitme görevi için mükemmel bir çözüm haline getirir. 

NVIDIA Corporation'a (NVDA) yatırım yapma hakkında her şeyi öğrenmek için buraya tıklayın.

# 2. Intel Corporation

ABD merkezli çip üreticisi, diğer şirketler için çip tasarımları üreten dökümhane işini genişleterek geri dönüş yapıyor. Microsoft, üst düzey yarı iletkenlerini üretmek ve "batı üretimini geniş ölçekte yeniden inşa etmek" için bu şirketi seçti. 

Çip, yarı iletkenleri daha küçük ve enerji açısından daha verimli hale getiren bir üretim süreci olan Intel'in 18A düğümünü kullanacak şekilde tasarlanacak. ABD Ticaret Bakanı Gina Raimondo, Google, OpenAI ve LLM'ler kuran diğer şirketlerin önümüzdeki yıllarda "akıllara durgunluk verici" miktarda yarı iletken gerektireceğini belirtirken "Intel ülkenin şampiyon çip şirketidir" dedi.

Yazının yazıldığı an itibarıyla Intel hisseleri YTD'ye göre %43.12 düşüşle 14.47 dolardan işlem görüyor, bu da şirketin piyasa değerini 181.7 milyar dolara getiriyor. EPS (TTM) 0.38, F/K (TTM) 113.46 ve ROE (TTM) %1.63'tür. Ayrıca %1.16 oranında temettü getirisi de sağlıyor. Intel CEO'su Pat Gelsinger'a göre:

"Genel talep (AI çipleri için) gelecek birkaç yıl boyunca doyumsuz olacak gibi görünüyor."

# 3. Samsung

Güney Kore merkezli teknoloji devi, diğer çip üreticilerine üstünlük sağlamak için 2nm çip teknolojisini piyasaya sürmeyi planlıyor. Samsung Foundry Forum (SFF) planına göre şirket, 2 yılında mobil uygulamalar için 2025nm sürecini büyük ölçekte üretmeye başlayacak, bir sonraki yıl ise yüksek performanslı bilgi işlem uygulamalarına yönelecek ve ardından otomotiv sektörüne geçiş yapacak. Bundan bir yıl sonra Samsung'un 1.4nm sürecine başlaması bekleniyor.

Şirketin piyasa değeri 373 milyar dolar olup hisseleri 1,373 dolardan işlem görüyor. Samsung'un PE Oranı (TTM) 14.25, EPS (TTM) 96.44'tür ve %1.98 temettü getirisi ödemektedir. Samsung, 4'ün 2023. çeyreği mali raporunda, dökümhane bölümünün 2nm AI çipleri için daha önce Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC) ile çalışan Japon AI girişimi Preferred Networks (PFN) ile bir anlaşma yaptığını belirtti. 

Çip üreticisi ayrıca Cortex-X çekirdeğini en gelişmiş çip üretim proses teknolojisi GAA'da optimize etmek için Arm ile işbirliği yapıyor. Geçtiğimiz yılın sonlarında Samsung, müşterisi olarak Nvidia'ya meydan okumayı amaçlayan Tenstorrent ile de anlaştı. 

Sonuç

Yapay zekadaki gelişmeler artan bilgi işlem gücüne olan talebi artırdıkça, silikon fotonik, standart yarı iletken üretim süreçlerini kullanarak silikon üzerinde fotonik bileşenlerin üretilmesini sağlayarak verimliliği artırırken gecikmeyi azaltma potansiyeline sahip umut verici bir teknoloji olarak ortaya çıktı. 

Silikon fotoniğin pek çok avantajı olmasına rağmen yakın gelecekte elektronik çiplerin yerini alamayacaklar. Bunun nedeni, silikon fotoniklerin yeteneklerinin dar bir şekilde odaklanmış halde kalması ve yeteneklerini optimize etmek için yazılım geliştirme açısından teknik engellere sahip olmasıdır. Dolayısıyla silikon fotonik kullanımının yaygınlaşması biraz zaman alacak, ancak bu teknoloji daha yeni başlıyor ve yapay zeka teknolojisinin ilerleme hızı göz önüne alındığında, bu kesinlikle hızlandırılabilir.

Kuantum hesaplamanın mevcut durumu hakkında bilgi edinmek için burayı tıklayın.