Komputasi optik berkembang pesat di bidang kecerdasan buatan (AI) dan memiliki prospek penerapan yang luas. Baru-baru ini, tim peneliti semikonduktor dari Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok berhasil mengembangkan prosesor konvolusi optik dengan tingkat integrasi yang sangat tinggi. Hal ini menandai terobosan besar dalam bidang komputasi optik di Tiongkok.
Beberapa hari yang lalu, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok mengumumkan bahwa tim peneliti Li Ming dan akademisi Zhu Ninghua dari Kelompok Penelitian Optoelektronika Gelombang Mikro di Laboratorium Kunci Negara untuk Optoelektronika Terpadu, Institut Semikonduktor, Akademi Ilmu Pengetahuan Tiongkok, telah mengembangkan prosesor konvolusi optik yang sangat terintegrasi. Hasil penelitian terkait telah dipublikasikan di "Nature-Communications" dengan judul "Unit pemrosesan konvolusi optik kompak berbasis interferensi multimode".
Pengantar Prosesor Konvolusi Optik
Jaringan saraf konvolusional adalah jaringan saraf tiruan yang terinspirasi oleh sistem saraf penglihatan biologis. Jaringan ini terdiri dari beberapa lapisan, yaitu lapisan konvolusional, lapisan pooling, dan lapisan terhubung penuh. Sebagai komponen inti dari jaringan saraf konvolusional, lapisan konvolusional mengekstrak fitur pada berbagai tingkatan dan tingkat abstraksi melalui persepsi lokal serta pembagian bobot data masukan. Dalam jaringan saraf konvolusional yang lengkap, perhitungan operasi konvolusi biasanya mencakup lebih dari 80% perhitungan seluruh jaringan. Meskipun jaringan saraf konvolusional telah berhasil di bidang-bidang seperti pengenalan gambar, jaringan ini juga menghadapi tantangan. Jaringan saraf konvolusional tradisional terutama didasarkan pada implementasi perangkat keras arsitektur von Neumann. Unit penyimpanan dan unit pemrosesan dipisahkan, yang mengakibatkan kontradiksi inheren antara kecepatan pertukaran data dan konsumsi energi. Dengan meningkatnya volume data dan kompleksitas jaringan, semakin sulit bagi solusi komputasi elektronik untuk memenuhi permintaan akan perangkat keras komputasi berkecepatan tinggi dan berdaya rendah untuk pemrosesan data besar secara real-time.
Komputasi optik adalah teknologi yang menggunakan gelombang cahaya sebagai pembawa untuk pemrosesan informasi. Teknologi ini memiliki keunggulan berupa bandwidth besar, latensi rendah, dan konsumsi daya rendah. Masalah transportasi data yang lambat dalam paradigma komputasi von Neumann. Komputasi optik telah menarik banyak perhatian dalam beberapa tahun terakhir, namun dalam sebagian besar skema komputasi optik yang dilaporkan, jumlah elemen optik meningkat secara kuadratik seiring dengan ukuran matriks komputasi, yang menjadikan penskalaan chip komputasi optik sebagai tantangan.
Hasil penelitian mengenai pemroses konvolusi optik
Unit pemrosesan konvolusi optik yang diusulkan oleh tim Ming Li-Ning-Hua Zhu membangun tiga kernel konvolusi bernilai riil yang berkorelasi berukuran 2×2 melalui dua penghubung interferensi multimode berukuran 4×4 dan empat penggeser fase (Gambar 1). Tim ini secara inovatif menggabungkan teknik multiplexing pembagian panjang gelombang dengan interferensi multimode cahaya untuk mengkarakterisasi elemen Kernel dalam hal panjang gelombang, pemetaan input-ke-output mewujudkan proses operasi perkalian dalam konvolusi, multiplexing pembagian panjang gelombang dan konversi fotoelektrik mewujudkan operasi penjumlahan dalam konvolusi, dan rekonfigurasi kernel konvolusi terkait diwujudkan dengan menyesuaikan empat penggeser fasa penyetelan termal (Gambar 2).
Unit pemrosesan konvolusi optik yang diusulkan oleh tim ini secara eksperimental membuktikan kemampuan ekstraksi fitur dan klasifikasi pada gambar digital tulisan tangan. Hasilnya menunjukkan bahwa akurasi ekstraksi fitur gambar mencapai 5 bit; akurasi pengenalan angka tulisan tangan dari basis data angka tulisan tangan MNIST mencapai 92,17% untuk sepuluh kelas. Dibandingkan dengan skema komputasi optik lainnya, skema ini memiliki keunggulan sebagai berikut: (1) kepadatan aritmatika yang tinggi: menggabungkan teknologi multiplexing pembagian panjang gelombang optik dengan teknologi interferensi multimode optik, empat unit modulasi digunakan untuk merealisasikan tiga operasi paralel Kernel bernilai riil 2×2, dan kepadatan aritmatika mencapai 12,74-T MACs/s/mm2. (2) skalabilitas linier: jumlah unit modulasi tumbuh secara linier seiring dengan ukuran matriks, yang memiliki potensi sangat kuat untuk integrasi skala besar.
Keunggulan dan Aplikasi Chip Optik
Perusahaan-perusahaan yang diwakili oleh Lightmatter dan Lightelligence telah meluncurkan jenis chip komputasi optik silikon baru, yang kinerjanya jauh melampaui chip komputasi AI yang ada saat ini. Menurut data Lightmatter, chip Envise yang mereka luncurkan bekerja 1,5 hingga 10 kali lebih cepat daripada chip A100 milik Nvidia.
Chip laser dan chip detektor secara kolektif disebut sebagai chip optik. Chip optik merupakan komponen dasar untuk mewujudkan konversi sinyal fotoelektrik, dan kinerjanya menentukan efisiensi transmisi sistem komunikasi optik. Dibandingkan dengan komponen optik tradisional, chip optik memiliki keunggulan berupa ukuran kecil, bobot ringan, konsumsi daya rendah, dan integrasi tinggi, serta mampu mewujudkan pemrosesan dan transmisi sinyal optik berkecepatan tinggi, presisi tinggi, dan keandalan tinggi. Dalam konteks pertumbuhan besar-besaran pembangunan infrastruktur daya komputasi, chip optik akan membuka peluang yang sangat besar.
Seiring meningkatnya laju transmisi, proporsi chip optik dalam biaya modul optik juga meningkat. Chip optik menyumbang 30% dari modul optik di bawah 10 Gbps, 40% dari modul optik 10 Gbps–25 Gbps, dan 40% dari modul optik di atas 25 Gbps, di mana chip Zhongguang menyumbang 60%.
Modul optik saat ini terutama digunakan di bidang komunikasi optik. Menurut data LightCounting, pasar modul optik global diperkirakan akan tumbuh sebesar 14% secara tahunan pada tahun 2022. Diperkirakan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan (CAGR) pasar modul optik global akan mencapai 10% dari tahun 2022 hingga 2027, dan akan melebihi US$20 miliar pada tahun 2027.
Analisis Permintaan pada Rantai Industri Chip Optik
Pengembangan chip optik tidak dapat dipisahkan dari komunikasi optik dan modul optik, dan industri ini sedang berada dalam tahap perkembangan yang pesat. Chip optik merupakan bagian penting dari komunikasi optik dan modul optik, dan seiring dengan perkembangan industri komunikasi optik serta perubahan skenario aplikasi, baik modul optik maupun chip optik mempercepat perkembangannya. Industri modul optik telah mengalami perkembangan selama beberapa dekade, dan pembentukan awal sistem industri teknologi integrasi fotonik telah mendorong perkembangan pesat industri chip optik. Chip optik memainkan peran penting dalam mengurangi kehilangan serat dan aspek lainnya, serta memiliki potensi besar untuk berkembang di bidang-bidang yang sedang berkembang.
Dari perspektif rantai industri komunikasi optik secara keseluruhan, chip optik, chip elektronik, komponen struktural, bahan pendukung, dan sebagainya membentuk hulu industri komunikasi optik; bagian tengah industri mencakup perangkat optik, termasuk komponen optik dan modul optik; sedangkan hilir industri dirakit menjadi peralatan sistem, dan pada akhirnya digunakan di pasar telekomunikasi, seperti akses serat optik, jaringan komunikasi seluler 4G/5G, komputasi awan, pusat data penyedia layanan internet, dan bidang lainnya.
Seiring dengan meningkatnya permintaan akan komunikasi optik, permintaan akan chip komunikasi optik juga tumbuh pesat. ICC memperkirakan bahwa pasar chip optik kecepatan tinggi di Tiongkok diperkirakan akan mencapai USD 3,022 miliar pada tahun 2023 dan USD 4,34 miliar pada tahun 2025. Sementara itu, pangsa pasar Tiongkok dalam pasar chip komunikasi optik global diperkirakan akan terus meningkat.
Saat ini, gelombang revolusi teknologi baru yang diwakili oleh AI sedang melanda dunia, dan ChatGPT yang dikembangkan oleh OpenAI membuat AIGC menarik banyak perhatian. Dalam konteks percepatan komersialisasi aplikasi AIGC, pertumbuhan dan peningkatan infrastruktur komputasi secara besar-besaran akan menjadi tren yang tak terelakkan. Di bawah latar belakang pembangunan infrastruktur komputasi, chip optik diperkirakan akan menyambut gelombang peluang pertumbuhan baru.
Dalam hal aplikasi spesifik, persyaratan komputasi AIGC memicu permintaan akan jaringan berkecepatan tinggi dan bandwidth besar, dan evolusi modul optik ke kecepatan yang lebih tinggi akan sangat mendorong peningkatan teknologi dan penggantian chip optik. Pada saat yang sama, peningkatan arsitektur jaringan pusat data telah menyebabkan peningkatan koneksi optik internal, dan arsitektur tiga lapis tradisional pusat data sedang bertransisi ke arsitektur leaf-spine, yang berarti modul optik memerlukan kecepatan transmisi yang lebih tinggi dan cakupan yang lebih luas, serta chip optik kelas menengah hingga atas diperkirakan akan berkembang pesat. Implementasi cepat LIDAR dan aplikasi lainnya juga akan sangat meningkatkan permintaan akan chip optik.
Lanskap Perkembangan Chip Optik di Tiongkok
Meskipun Eropa dan Amerika Serikat memimpin dalam teknologi chip optik, perusahaan-perusahaan chip optik Tiongkok juga mulai mengejar ketertinggalan, dan pasar global saat ini didominasi oleh Amerika Serikat, Tiongkok, dan Jepang. Perusahaan chip optik global telah membentuk industri yang tertutup dan memiliki hambatan industri yang tinggi, serta mampu secara mandiri menyelesaikan proses-proses kunci seperti desain chip, epitaxi wafer, dan produksi massal chip optik dengan kecepatan 25G dan lebih tinggi. Beberapa perusahaan chip optik Tiongkok sudah berada di level terdepan, dan daya saing mereka akan semakin meningkat seiring dengan peningkatan kemampuan teknis dan pengakuan pasar.
Setelah bertahun-tahun berkembang, berbagai jenis chip optik Tiongkok berkembang pesat, dan pola spesifiknya adalah sebagai berikut:
- Chip optik 2,5G dan di bawahnya: terutama digunakan di pasar akses serat optik, di mana perusahaan chip optik domestik telah menguasai pangsa pasar utama.
- Chip optik 10G: terutama digunakan di pasar akses serat optik, pasar jaringan komunikasi seluler, dan pasar pusat data. Perusahaan chip optik Tiongkok pada dasarnya telah menguasai teknologi inti chip optik 10G, namun beberapa model masih memiliki ambang teknis yang tinggi dan bergantung pada impor.
- Chip optik 25G ke atas: terutama digunakan di pasar jaringan komunikasi seluler dan pasar pusat data, termasuk chip laser dan detektor 25G, 50G, dan 100G.
Meskipun demikian, permintaan China terhadap chip optik berkecepatan tinggi sangat tinggi. Kecepatan 25G dan di atasnya termasuk dalam kategori chip optik berkecepatan tinggi, yang saat ini didominasi oleh perusahaan-perusahaan terkemuka di Eropa, Amerika, dan Jepang. Oclaro, Avago, NeoPhotonics, dll., memiliki kemampuan chip EML 50G; chip laser DFB dan VCSEL telah mencapai kecepatan tertinggi 50G untuk penggunaan komersial skala besar; Finisar, AAOI, Oclaro memiliki kemampuan chip EML 50G, AAOI dan Oclaro memiliki kemampuan chip DML 50G PAM4, dan terdapat kesenjangan antara Tiongkok dan tingkat terdepan industri luar negeri.
Hal yang baiknya adalah skenario aplikasi utama chip optik mencakup akses serat optik, jaringan komunikasi seluler 4G/5G, pusat data, dll., yang berada dalam periode krusial peningkatan kecepatan dan pergantian generasi; dalam konteks meningkatnya permintaan akan transmisi berkecepatan tinggi, proporsi chip optik yang digunakan dalam modul optik kecepatan 25G di masa depan akan secara bertahap meningkat, dan pada tahun 2025, ruang pasar secara keseluruhan diperkirakan mencapai $4,340 miliar, dengan tingkat pertumbuhan tahunan gabungan sebesar 21,40%. Tingkat pertumbuhan akan mencapai 21,40%, produsen Tiongkok di bidang chip optik berkecepatan tinggi diharapkan dapat mencapai kemandirian melalui kekuatan teknis mereka sendiri.
Kesimpulan
Prosesor konvolusi optik berfokus pada bidang komputasi optik, yaitu teknologi yang memanfaatkan perangkat optik dan fenomena optik untuk pemrosesan informasi dan komputasi. Teknologi optik mampu memproses beberapa informasi secara bersamaan, sehingga memungkinkan komputasi paralel yang efisien. Seiring perkembangan kecerdasan buatan, teknologi komputasi optik dapat diterapkan untuk mempercepat proses pelatihan jaringan saraf dalam, jaringan saraf optik, gerbang logika optik, dan sebagainya.
Seiring dengan perkembangan teknologi kecerdasan buatan yang terus berlanjut, tuntutan terhadap kecepatan dan efisiensi komputasi semakin tinggi. Chip komputasi optik dapat memberikan solusi dengan efisiensi tinggi dan konsumsi energi rendah, dan diharapkan menjadi bagian penting dari industri kecerdasan buatan di masa depan.
