Optik hesaplama, yapay zeka alanında hızla gelişmekte olup geniş uygulama olanaklarına sahiptir. Son zamanlarda, Çin Bilimler Akademisi’ne bağlı yarı iletken araştırma ekibi, ultra yüksek entegrasyonlu bir optik konvolüsyon işlemcisi geliştirdi. Bu, Çin’deki optik hesaplama alanında önemli bir atılımı işaret etmektedir.
Birkaç gün önce, Çin Bilimler Akademisi, Çin Bilimler Akademisi Yarıiletken Enstitüsü, Entegre Optoelektronik Devlet Anahtar Laboratuvarı'nın Mikrodalga Optoelektronik Araştırma Grubu'ndan araştırmacı Li Ming ve akademisyen Zhu Ninghua'nın ekibinin ultra yüksek entegre bir optik konvolüsyon işlemcisi geliştirdiğini duyurdu. İlgili araştırma sonuçları, "Çok modlu girişim temelli kompakt optik konvolüsyon işleme birimi" başlığıyla "Nature-Communications" dergisinde yayınlandı.
Optik Konvolüsyon İşlemcisine Giriş
Evrişimli sinir ağı, biyolojik görsel sinir sisteminden esinlenerek geliştirilmiş bir yapay sinir ağıdır. Bu ağ, evrişimsel katmanlar, havuzlama katmanları ve tam bağlantılı katmanlardan oluşan çok katmanlı bir yapıya sahiptir. Evrişimsel sinir ağının temel bileşeni olan evrişimsel katman, girdi verilerinin yerel algılanması ve ağırlık paylaşımı yoluyla farklı düzeylerde ve soyutlama seviyelerinde özellikler çıkarır. Tam bir evrişimli sinir ağında, evrişim işleminin hesaplanması genellikle tüm ağın hesaplamasının %80'inden fazlasını oluşturur. Evrişimli sinir ağları görüntü tanıma gibi alanlarda başarılı olsa da, bazı zorluklarla da karşı karşıyadır. Geleneksel evrişimli sinir ağı, esas olarak von Neumann mimarisinin elektriksel donanım uygulamasına dayanır. Depolama birimi ile işleme birimi birbirinden ayrılmıştır, bu da veri alışveriş hızı ile enerji tüketimi arasında doğal bir çelişki yaratır. Veri hacminin ve ağ karmaşıklığının artmasıyla birlikte, elektronik hesaplama çözümlerinin büyük verilerin gerçek zamanlı işlenmesi için yüksek hızlı, düşük güç tüketimli hesaplama donanımı talebini karşılaması giderek zorlaşmaktadır.
Optik hesaplama, bilgi işleme için ışık dalgalarını taşıyıcı olarak kullanan bir teknolojidir. Geniş bant genişliği, düşük gecikme süresi ve düşük güç tüketimi gibi avantajlara sahiptir. Neumann hesaplama paradigmasında verilerin gelgit taşıma sorunu. Optik hesaplama son yıllarda büyük ilgi görmüştür, ancak bildirilen optik hesaplama şemalarının çoğunda, optik elemanların sayısı hesaplama matrisinin boyutuyla birlikte karekare artmaktadır, bu da optik hesaplama yongalarının ölçeklendirilmesini zorlaştırmaktadır.
Optik konvolüsyon işlemcisinin araştırma sonuçları
Ming Li, Ning ve Hua Zhu'nun ekibi tarafından önerilen optik konvolüsyon işleme birimi, iki adet 4×4 çok modlu girişim kuplörü ve dört adet faz kaydırıcı aracılığıyla üç adet 2×2 korelasyonlu reel değerli konvolüsyon çekirdeği oluşturmaktadır (Şekil 1). Ekip, dalga boyu bölmeli çoklama tekniğini ışığın çok modlu girişimiyle yenilikçi bir şekilde birleştirerek çekirdek elemanlarını dalga boyu açısından karakterize eder; giriş-çıkış eşlemesi, konvolüsyondaki çarpma işlemini gerçekleştirir; dalga boyu bölmeli çoklama ve fotoelektrik dönüşüm, konvolüsyondaki toplama işlemini gerçekleştirir ve ilgili konvolüsyon çekirdeği yeniden yapılandırması, dört termal ayarlı faz kaydırıcının ayarlanmasıyla gerçekleştirilir (Şekil 2).
Ekip tarafından önerilen optik konvolüsyon işleme birimi, el yazısı dijital görüntülerinin özellik çıkarma ve sınıflandırma yeteneğini deneysel olarak doğrulamaktadır. Sonuçlar, görüntü özellik çıkarma doğruluğunun 5 bit'e ulaştığını; MNIST el yazısı rakam veritabanındaki el yazısı rakamların doğruluğunun on sınıfta %92,17 olduğunu göstermektedir. Diğer optik hesaplama şemalarıyla karşılaştırıldığında, bu şemanın aşağıdaki avantajları vardır: (1) yüksek aritmetik yoğunluk: optik dalga boyu bölmeli çoklama teknolojisini optik çok modlu girişim teknolojisiyle birleştirerek, dört modülasyon birimi kullanılarak üç adet 2×2 gerçek değerli çekirdek paralel işlemi gerçekleştirilir ve aritmetik yoğunluk 12,74-T MAC/s/mm2'ye ulaşır. (2) doğrusal ölçeklenebilirlik: modülasyon birimlerinin sayısı matris boyutuyla doğrusal olarak artar; bu da büyük ölçekli entegrasyon için çok güçlü bir potansiyele sahiptir.
Optik Çiplerin Avantajları ve Uygulamaları
Lightmatter ve Lightelligence gibi şirketler, mevcut yapay zeka hesaplama yongalarının performansını çok aşan yeni bir tür silikon optik hesaplama yongası piyasaya sürdü. Lightmatter’ın verilerine göre, piyasaya sürdükleri Envise yongası, Nvidia’nın A100 yongasından 1,5 ila 10 kat daha hızlı çalışıyor.
Lazer çipi ve dedektör çipi, topluca optik çip olarak adlandırılır. Optik çip, fotoelektrik sinyal dönüşümünü gerçekleştirmek için temel bileşendir ve performansı, optik iletişim sisteminin iletim verimliliğini belirler. Geleneksel optik bileşenlerle karşılaştırıldığında, optik yongalar küçük boyut, hafiflik, düşük güç tüketimi ve yüksek entegrasyon gibi avantajlara sahiptir ve yüksek hızlı, yüksek hassasiyetli ve yüksek güvenilirlikli optik sinyal işleme ve iletimini gerçekleştirebilir. Bilgi işlem gücü altyapısı inşaatındaki muazzam büyüme bağlamında, optik yongalar büyük fırsatlar getirecektir.
İletim hızı arttıkça, optik modüllerin maliyetindeki optik yongaların payı da artmaktadır. Optik yongalar, 10 Gbs'nin altındaki optik modüllerin %30'unu, 10 Gbs-25 Gbs optik modüllerin %40'ını ve 25 Gbs'nin üzerindeki optik modüllerin %40'ını oluştururken, Zhongguang yongaları %60'lık bir paya sahiptir.
Optik modüller şu anda ağırlıklı olarak optik iletişim alanında kullanılmaktadır. LightCounting verilerine göre, küresel optik modül pazarı 2022'de bir önceki yıla göre %14 büyüyecektir. Küresel optik modül pazarının 2022'den 2027'ye kadar yıllık bileşik büyüme oranının (CAGR) %10 olacağı ve 2027'de 20 milyar ABD dolarını aşacağı tahmin edilmektedir.
Optik Çip Sektör Zincirinin Talep Analizi
Optik yonga geliştirme, optik iletişim ve optik modüllerden ayrı düşünülemez ve sektör hızla gelişen bir aşamadadır. Optik yongalar, optik iletişim ve optik modüllerin önemli bir parçasıdır ve optik iletişim endüstrisinin gelişimi ve uygulama senaryolarındaki değişikliklerle birlikte, hem optik modüller hem de optik yongalar gelişimlerini hızlandırmaktadır. Optik modül endüstrisi onlarca yıllık bir gelişim sürecinden geçmiştir ve fotonik entegrasyon teknolojisinin endüstriyel sisteminin ilk oluşumu, optik yonga endüstrisinin hızlı gelişimini tetiklemiştir. Optik yongalar, fiber kaybının azaltılması ve diğer konularda önemli bir rol oynamaktadır ve yeni gelişen alanlarda büyük bir gelişme potansiyeline sahiptir.
Tüm optik iletişim endüstri zincirinin perspektifinden bakıldığında, optik yongalar ve elektrik yongaları, yapısal bileşenler, yardımcı malzemeler vb. optik iletişim endüstrisinin üst akışını, optik bileşenler ve optik modüller dahil olmak üzere optik cihazlar için endüstrinin orta akışını, sistem ekipmanına monte edilen endüstrinin alt akışını oluşturur ve nihayetinde fiber optik erişim, 4G/5G mobil iletişim ağları, bulut bilişim, İnternet sağlayıcılarının veri merkezleri ve diğer alanlar gibi telekomünikasyon pazarında kullanılır.
Optik iletişime olan talep arttıkça, optik iletişim yongalarına olan talep de hızla artmaktadır. ICC, Çin'in yüksek hızlı optik yonga pazarının 2023'te 3,022 milyar ABD dolarına ve 2025'te 4,34 milyar ABD dolarına ulaşmasının beklendiğini tahmin etmektedir. Bu arada, Çin'in küresel optik iletişim yonga pazarındaki payının artmaya devam etmesi beklenmektedir.
Şu anda, AI'nın temsil ettiği yeni bir teknoloji devrimi dünyayı kasıp kavuruyor ve OpenAI tarafından geliştirilen ChatGPT, AIGC'nin büyük ilgi görmesini sağlıyor. AIGC uygulamalarının hızlanan ticarileşmesi bağlamında, aritmetik altyapının muazzam büyümesi ve yükseltilmesi kaçınılmaz bir trend haline gelecektir. Aritmetik altyapı inşasının arka planında, optik çipin yeni bir büyüme fırsatları dalgasını başlatması bekleniyor.
Spesifik uygulamalar açısından, AIGC'nin aritmetik gereksinimleri, yüksek hızlı ve geniş bant genişliğine sahip ağlara olan talebi artırmaktadır ve optik modüllerin daha yüksek hızlara evrimleşmesi, optik çiplerin teknolojik yükseltilmesini ve yenilenmesini güçlü bir şekilde teşvik edecektir. Aynı zamanda, veri merkezlerinin ağ mimarisindeki yükseltme, dahili optik bağlantılarda artışa yol açmıştır ve veri merkezlerinin geleneksel üç katmanlı mimarisi, yaprak-omurga mimarisine geçiş yapmaktadır; bu da optik modüllerin daha hızlı iletim hızlarına ve daha yüksek kapsama oranlarına ihtiyaç duyduğu anlamına gelmektedir ve orta ile üst düzey optik yongaların hızla yaygınlaşması beklenmektedir. LIDAR ve diğer uygulamaların hızlı bir şekilde hayata geçirilmesi de optik yongalara olan talebi güçlü bir şekilde artıracaktır.
Çin'de Optik Çiplerin Gelişim Durumu
Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri optik yonga teknolojisinde öncü konumda olsa da, Çinli optik yonga şirketleri de hızla arayı kapatmaktadır ve küresel pazar şu anda Amerika Birleşik Devletleri, Çin ve Japonya tarafından domine edilmektedir. Küresel optik çip şirketleri, kapalı döngü bir endüstri ve yüksek endüstri engelleri oluşturmuşlardır ve çip tasarımı, yonga epitaksisi ve 25G ve üzeri hızlara sahip optik çiplerin seri üretimi gibi kilit süreçleri bağımsız olarak tamamlayabilmektedirler. Bazı Çinli optik çip şirketleri halihazırda lider seviyededir ve teknik yeteneklerinin ve pazar tanınırlıklarının artmasıyla rekabet güçleri daha da artacaktır.
Yıllar süren gelişimin ardından, Çin'in çeşitli optik çip türleri hızla gelişmektedir ve spesifik durum şu şekildedir:
- 2,5G ve altı optik yongalar: esas olarak fiber erişim pazarında kullanılmaktadır ve yerli optik yonga şirketleri ana pazar payını ele geçirmiştir.
- 10G optik yongalar: esas olarak fiber erişim pazarında, mobil iletişim ağı pazarında ve veri merkezi pazarında kullanılmaktadır. Çin'in optik yonga şirketleri, 10G optik yonganın temel teknolojisini temel olarak benimsemiştir, ancak bazı modellerin teknik eşiği hala yüksektir ve ithalata bağımlıdır.
- 25G ve üzeri optik yongalar: esas olarak mobil iletişim ağı pazarında ve veri merkezi pazarında kullanılır; 25G, 50G, 100G lazer ve dedektör yongaları dahildir.
Bununla birlikte, Çin'in yüksek hızlı optik yongalara olan talebi yüksektir. 25G ve üzeri hızlar, şu anda Avrupa, Amerika ve Japonya'daki lider şirketlerin hakim olduğu yüksek hızlı optik yongalara aittir; Oclaro, Avago, NeoPhotonics vb. 50G EML yonga kapasitesine sahiptir; DFB ve VCSEL lazer yongaları, büyük ölçekli ticari kullanım için 50G'lik en yüksek hıza ulaşmıştır; Finisar, AAOI ve Oclaro 50G EML yonga kapasitesine sahiptir; AAOI ve Oclaro ise 50G PAM4 DML yonga kapasitesine sahiptir; ancak Çin ile yurtdışı endüstrilerinin lider seviyesi arasında bir uçurum bulunmaktadır.
İyi olan şey, optik yongaların ana uygulama senaryolarının fiber optik erişim, 4G/5G mobil iletişim ağları, veri merkezleri vb. olup, hız yükseltme ve nesil değişiminin kilit dönemindedir; yüksek hızlı iletim talebinin artması bağlamında, gelecekteki 25G hızındaki optik modüllerde kullanılan optik çiplerin oranı kademeli olarak artacak ve 2025 yılına kadar toplam pazar hacmi yıllık bileşik büyüme oranı %21,40 ile 4,340 milyar dolara ulaşacaktır. Büyüme oranı %21,40'a ulaşacak; yüksek hızlı optik yonga alanındaki Çinli üreticilerin, kendi teknik güçleri sayesinde kendi kendilerine yetebilecek duruma gelmeleri beklenmektedir.
Sonuç
Optik konvolüsyon işlemcisi, bilgi işleme ve hesaplama için optik cihazları ve optik olayları kullanan bir teknoloji olan optik hesaplama alanına odaklanmaktadır. Optik sistemler, birden fazla bilgiyi aynı anda işleyebilir ve böylece verimli bir paralel hesaplama imkanı sunar. Yapay zekanın gelişmesiyle birlikte, optik hesaplama teknolojisi derin sinir ağları, optik sinir ağları ve optik mantık kapıları gibi alanlarda eğitim sürecini hızlandırabilir.
Yapay zeka teknolojisinin sürekli gelişmesiyle birlikte, hesaplama hızı ve verimliliğine yönelik gereksinimler giderek artmaktadır. Optik hesaplama yongaları, yüksek verimlilik ve düşük enerji tüketimi ile bir çözüm sunabilir ve gelecekteki yapay zeka endüstrisinin önemli bir parçası haline gelmesi beklenmektedir.
