Laskenta valonnopeudella piisirunäkyvyydellä

Pennsylvanian yliopiston insinöörit ovat kehittäneet sirun, joka käyttää valoa sähkövirran sijaan suorittaakseen monimutkaisia matemaattisia laskelmia, joita tarvitaan tekoälyn (AI) kouluttamiseen. Tämä innovaatio voisi merkittävästi nopeuttaa käsittelyä ja vähentää laitteiden energiankulutusta.

Tutkimus, julkaistu Nature Photonics -lehdessä, osoittaa, että kyseessä on “käänteessuunniteltu matala-indeksin kontrastirakenne” piisirunäkyvyys (SiPh) -alustalla, mikä mahdollisesti mahdollistaa suurimittakaavaiset aallonpohjaiset analogiset laskentaplatformit.

Piisirunäkyvyys käyttää piitä, runsaan saatavilla olevaa ja edullista elementtiä, jota käytetään tietokonesirujen massatuotannossa, ja integroi komponentteja kuten fotodetektorit, optiset kytkimet, optiset aallonjohtimet ja optiset modulaattorit piisubstraatille.

Tässä tutkimuksessa piisirunäkyvyys (SiPh) -sirun manipuloi materiaaleja nanoskaalassa suorittaakseen matemaattisia laskelmia valon avulla. Tämä tapa, jossa valoaallot vuorovaikuttavat aineen kanssa, lupaa kehittää tietokoneita, jotka ylittävät nykyisten sirujen rajoitukset.

“Päätimme yhdistää voimamme,” sanoi professori H. Nedwill Ramsey Nader Engheta, viitaten nanoskaalaisten piilaitteiden kehittämiseen Firooz Aflatounin tutkimusryhmässä, joka on apulaisprofessori sähkö- ja järjestelmäsuunnittelussa.

Tavoitteena on ollut kehittää alusta vektorimatriisikertolaskun (VMM) suorittamiseen, jota käytetään nykyisten tekoälytyökalujen taustalla olevien neuroverkkojen kehittämisessä ja toiminnassa. 

Tutkimuksen mukaan, vaikka käänteessuunnitellut SiPh-metarakenteet suorittavat analogisia laskelmia sähkömagneettisten aaltojen avulla tehokkaasti, niiden skaalaaminen hallitsemaan suurta määrää datakanavia on haaste. Ratkaistakseen tämän tiimi otti käyttöön 2D käänteissuunnittelun lähestymistavan luodakseen kompakteja amorfisia linssijärjestelmiä, jotka ovat tyypillisesti syötteenvetoinen ja matala resonanssi. Tutkimus osoitti menestyksekkäästi vektorimatriisituotteen 2 × 2 ja 3 × 3 matriiseille sekä suunnitteli myös 10 × 10 matriisin.

Sen sijaan, että käytettäisiin tasapaksua piilevyä, tiimi ohensi piitä valikoivasti tietyillä alueilla. Nämä korkeusvaihtelut mahdollistavat valon läpäisyn hallinnan sirun läpi.

Jakamalla nämä vaihtelut siru hajottaa valoa tietyissä kuvioissa, mikä mahdollistaa matemaattisten laskelmien suorittamisen valonnopeudella, nopeimmalla mahdollisella viestintämenetelmällä.

Aflatounin mukaan tämä suunnittelu on jo valmis kaupallisiin sovelluksiin kaupallisen foundryn asettamien rajoitusten vuoksi, joka on tuottanut sirut. Lisäksi suunnittelua voidaan mahdollisesti soveltaa grafiikkaprosessoreihin (GPU), erikoistuneeseen elektroniseen piiriin, jonka kysyntä on tällä hetkellä valtava tekoälyinnostuksen myötä. Aflatouni mainitsee, että piisirunäkyvyys-alustan integroiminen lisäosana voisi nopeuttaa koulutus- ja luokitteluprosesseja.

Kuitenkin hyödyt ulottuvat nopeuden ja energiatehokkuuden lisäksi, sillä siru parantaa myös yksityisyyttä. Salliessaan monien laskelmien tapahtua samanaikaisesti, ei tarvitse tallentaa arkaluonteista tietoa tietokoneen työmuistiin. Tämä tekee tällaisella teknologialla varustetusta tietokoneesta käytännössä hakkeroinnin estävän. Aflatouni totesi:

“Kukaan ei voi murtautua olemattomaan muistiin saadakseen tietosi.” 

Osittain Yhdysvaltain ilmavoimien tieteellisen tutkimuksen toimiston Monialainen yliopistotutkimusaloite sekä Yhdysvaltain merentutkimusviraston myöntämä rahoitus tukevat tätä tutkimusta, jonka tavoitteena on ylittää nykyisten sirujen rajoitukset, jotka toimivat viime vuosikymmenten aikana vakiintuneiden periaatteiden mukaisesti. Valon voiman hyödyntämisen avulla tämä uusi lähestymistapa voi raivata tietä tekoälyn uuden sukupolven kehitykselle.

Piisirunäkyvyyden valtava potentiaali

Viime vuosikymmeninä tämän materiaalin tutkimus ja kehitys on jatkunut. Viime aikoina kuitenkin piisirunäkyvyys (SiPh) on saanut huomiota nopean ja tehokkaan datankäsittelyn kasvavan kysynnän vuoksi.

Tämä kasvava kiinnostus on nostanut piisirunäkyvyyden maailmanlaajuisen markkina-alueen arvoksi 1,29 miljardia dollaria vuonna 2022 ja sen odotetaan kasvavan 25,8 %:n vuotuisella kasvukorolla tämän vuosikymmenen loppuun mennessä, Grand View Researchin mukaan. Tämä kasvu johtuu tarpeesta korkeampiin tiedonsiirtonopeuksiin ja kaistanleveyttä vaativiin sovelluksiin.

SiPh on tässä täydellinen alusta taloudellisen tehokkuutensa ja korkean integrointitiheytensä vuoksi. Lisäksi, koska SiPh on yhteensopiva elektronisen valmistuksen kanssa, SiPh-valoaineistot (PIC) voidaan valmistaa vakiintuneen foundry-infrastruktuurin avulla. SiPh:llä on myös potentiaalia integroida satoja tai tuhansia laitteita monimutkaisiin PIC:ihin, joiden suunnittelu- ja valmistusasteikko on samanlainen kuin CMOS:lla, avaten uusia sovelluksia valon ja laskennan risteyskohdassa.

Siten, korkean nopeuden siirron, korkean integrointitiheyden, erinomaisen optiikan, alhaisemman energian kulutuksen ja suhteellisen edullisen valmistuksen ansiosta, piisirunäkyvyys on tullut arvokkaaksi teknologian alaksi monilla aloilla. 

Esimerkiksi tutkimus piisirunäkyvyyden soveltamisesta LiDAR-teknologiaan autonomiseen ajamiseen ja teollisuusautomaation osalta on käynnissä. LiDAR käyttää valoa, joka heijastuu pinnoilta, sen sijaan että se käyttäisi radiotaajuus (RF) -signaaleja analysoidakseen ja toimittaakseen kriittistä tietoa ympäristöstä.

Lisäksi piisirunäkyvyyttä voidaan käyttää anturiteknologiaan (esim. optinen anturi), jossa signaalin siirto ja vastaanotettu optinen signaali auttavat määrittämään ympäristön ominaisuuksia. Tämä voi olla hyödyllistä terveyssovelluksissa ja kuluttajien terveyslaitteissa. 

Itse asiassa autonomisten ajoneuvojen ja anturien lisäksi piisirunäkyvyyden käyttöä on tutkittu myös telekommunikaatiossa, kvanttiviestinnässä, biolääketieteessä, avaruustekniikassa, tähtitieteessä sekä AR/VR:ssä. Piisirunäkyvyys näyttää myös lupaavan täydelliseen integrointiin ja suurimittakaavaiseen optiseen kvanttisen tiedon prosessointiin.

Sitten on tekoäly, joka vaatii suorituskykyistä laskentaa. Tekoälyinnostus saavuttaa uusia huippuja ja on odotettavissa kasvavan edelleen, siruteollisuus kohtaa kiireellisen innovaatiotarpeen. Se pyrkii ahkerasti sijoittamaan enemmän transistoreja yhteen siruun merkittävästi parantaakseen laskentatehoa ja energiatehokkuutta. Tällaiset parannukset ovat ratkaisevia tekoälyalgoritmien kouluttamisessa ja toiminnassa tarkemmin, nopeammin ja kustannustehokkaammin.

Yrittäessään voittaa puolijohdekilpailun, jopa Kiina rakentaa fotonista sirutuotantolinjan, koska sen laskentanopeus on nopeampi ja sen informaatiokapasiteetti suurempi, mikä on merkittävästi korkeampi kuin nykyisillä piipohjaisilla siruilla.

Mullistava tekijä tekoälyssä

Tekoälyinnostus ei näytä hidastuvan. Tämä uusi teknologinen aallokko on noussut voimakkaaksi tekijäksi, joka mullistaa monia toimialoja ja muuttaa tulevaisuutta. Kun tekoäly on nopeasti nousemassa oleelliseksi osaksi arkeamme ja datavetoiset sovellukset monimutkaistuvat, kaikki yrityksistä ja hallituksista instituutioihin ja tutkijoihin etsivät keinoja tehdä siitä tehokkaampaa. 

Tämä ohjaa ihmisiä piisirunäkyvyyteen, joka on yksi lupaavimmista teknologioista monimutkaisten ja kalliiden laskelmien käsittelemiseksi syvien neuroverkkojen avulla, jotka ovat koneoppimisen algoritmien alajoukko, jonka avulla mallin suorituskykyä voidaan tarkentaa. Syvät verkot koostuvat kerroksista, jotka sisältävät matemaattisia suhteita.

Kun tällaiset monimutkaisuudet ovat mukana, piisirunäkyvyys voi auttaa parantamaan suorituskykyä ja kustannustehokkuutta, mikä parantaisi tekoäly- ja koneoppimissovellusten toimintaa. AI/ML-maailma tarvitsee datan nopeaa vaihtoa mahdollisimman vähäisellä energian kulutuksella ja samalla korkean laskentatiheyden säilyttämistä. 

Tässä piisirunäkyvyys mahdollistaa paremman viestinnän laskentayksiköiden välillä. Materiaali mahdollistaa myös lyhyen kantaman optisten yhteyksien käytön datan tehokkaaseen siirtoon suhteellisen lyhyillä etäisyyksillä AI/ML-sovelluksissa. Datan nopea siirto on olennaista reaaliaikaisessa päätöksenteossa. 

Näin piisirunäkyvyys edistää AI-järjestelmien kokonaistehokkuutta ja suorituskykyä. Hyödyntämällä tätä materiaalia yritykset voivat avata suurempia laskentakykyjä ja saada tarkempia ja reagoivampia tuloksia.

Piisirunäkyvyys soveltuu erityisesti laskentaan, koska tällaiset piirit voivat olla nopeampia kuin perinteiset elektroniset piirit. Lisäksi niiden optinen prosessointi on luontaisesti rinnakkaista, mikä mahdollistaa useiden toimintojen suorittamisen samanaikaisesti. 

Piisirunäkyvyys mahdollistaa myös peruskomponenttien yhdistämisen lukuisissa yhdistelmissä erittäin monimutkaisten piirien rakentamiseksi, mahdollistaen kehittyneiden järjestelmien luomisen tiettyihin sovelluksiin räätälöitynä.

Piisirunäkyvyyden tulevaisuus tekoälyn saralla on, kuten näemme, valoisa, ottaen huomioon sen potentiaalin muuttaa AI-algoritmeja ja laajentaa AI-järjestelmien kykyjä. Se on varmasti mielenkiintoinen aika piisirunäkyvyydelle.

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken tekoälyyn sijoittamisesta. 

Katsaus suosittuihin sirujen valmistajiin

Tarkastellaan nyt muutamaa merkittävää nimeä, jotka toimivat sirujen valmistuksen alalla:

#1. NVIDIA Corporation

Siruteollisuuden johtaja Nvidia (NVDA ) on tällä hetkellä Yhdysvaltain osakemarkkinoiden kolmanneksi arvokkain yhtiö. Se hallitsee noin 80 % AI-sirumarkkinasta. Osakkeiden hintana $793,50 yhtiön markkina-arvo on $1,95 biljoonaa. 

Nvidian osakkeet ovat nousseet hurjasti ja ovat jo +58,6 % vuoden alusta. Yhtiöllä on EPS (TTM) 11,93, P/E (TTM) 65,84 ja ROE (TTM) 69,17 %. Se maksaa myös osinkotuoton 0,02 %.

Kun kysyntä kasvaa maailmanlaajuisesti eri toimialoilla ja maissa, Nvidia raportoi neljännen neljänneksen tuloksensa, joissa liikevaihto kolminkertaistui yli $22,1 miljardiin. Toimitusjohtaja ja perustaja Jensen Huang sanoi:

“Kiihtyvä laskenta ja generatiivinen tekoäly ovat saavuttaneet käännekohdan.”

Nouseva sirukysyntä saa yhtiön ennustamaan 233 %:n kasvua Q1-liikevaihdossa. Yhtiön H100-datakeskus-siru auttaa yhtiötä johtamaan AI-aluetta. Se on optimoitu käsittelemään valtavia määriä dataa ja laskentaa suurilla nopeuksilla, tehden siitä täydellisen ratkaisun energiaintensiiviseen AI-mallien koulutustehtävään. 

Klikkaa tästä oppiaksesi kaiken NVIDIA Corporation (NVDA) -sijoittamisesta.

#2. Intel Corporation

Yhdysvalloissa toimiva sirujen valmistaja tekee paluun laajentaessaan foundry-liiketoimintaansa, joka valmistaa sirusuunnitelmia muille yrityksille. Microsoft (MSFT ) on valinnut yhtiön valmistamaan sen huippuluokan puolijohteita ja “rakentamaan läntisen valmistuksen uudelleen mittakaavassa”.

Siru suunnitellaan käyttämään Intelin 18A-solmua, valmistusprosessia, joka tekee puolijohteista pienempiä ja energiatehokkaampia. “Intel (INTC ) on maan mestarisiruvalmistaja,” sanoi Yhdysvaltain kauppaministeri Gina Raimondo, huomauttaen että Google, OpenAI ja muut LLM:itä rakentavat yritykset tarvitsevat “mielenkiintoisen” määrän puolijohteita tulevina vuosina.

Kirjoitushetkellä Intelin osakkeet käyvät $43,12, laskien 14,47 % vuoden alusta, mikä asettaa yhtiön markkina-arvoksi $181,7 miljardia. Sen EPS (TTM) on 0,38, P/E (TTM) 113,46 ja ROE (TTM) 1,63 %. Se maksaa myös osinkotuoton 1,16 %. Intelin toimitusjohtaja Pat Gelsinger sanoi:

“Kokonaiskysyntä (AI-siruja) näyttää olevan tyydyttämätön useiden vuosien ajan tulevaisuudessa.”

#3. Samsung

Etelä-Koreassa toimiva teknologiavalmistaja Samsung suunnittelee julkaisevansa 2 nm siruteknologiansa saadakseen etulyöntiaseman muihin siruvalmistajiin nähden. Samsungin Foundry Forum (SFF) -suunnitelman mukaan yhtiö aloittaa 2 nm prosessin massatuotannon vuonna 2025 mobiilisovelluksiin ja siirtyy seuraavana vuonna korkean suorituskyvyn laskentasovelluksiin, jonka jälkeen se siirtyy autoteollisuuteen. Vuoden jälkeen Samsungin odotetaan aloittavan 1,4 nm prosessin.

Yhtiön markkina-arvo on $373 bln, ja sen osakkeet käyvät $1,373. Samsungin P/E-luku (TTM) on 14,25, EPS (TTM) 96,44 ja osinkotuotto 1,98 %. Q4 2023 -talousraportissaan Samsung totesi, että sen foundry-osasto on varmistanut sopimuksen 2 nm AI-siruista japanilaiselta AI-startupilta Preferred Networks (PFN), joka on aiemmin tehnyt yhteistyötä Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Co (TSMC):n kanssa.

Sirunvalmistaja tekee myös yhteistyötä Arm:n kanssa optimoidakseen Cortex‑X-ytimen edistyneimmällä siruprosessiteknologialla, GAA. Viime vuoden lopulla Samsung solmi myös sopimuksen Tenstorrentin kanssa, jonka tavoitteena on haastaa Nvidia sen asiakkaana.

Yhteenveto

Kun tekoälyn edistysaskeleet lisäävät laskentatehon kysyntää, piisirunäkyvyys on noussut lupaavaksi teknologian, jolla on potentiaalia vähentää viivettä ja lisätä tehokkuutta mahdollistamalla fotonisten komponenttien valmistuksen piillä käyttäen vakiintuneita puolijohdeteollisuuden prosesseja.

Vaikka piisirunäkyvyydellä on monia etuja, se ei korvaa elektronisia siruja lähiaikoina. Tämä johtuu siitä, että piisirunäkyvyyden kyvyt ovat kapeasti fokusoituja ja niillä on teknisiä esteitä ohjelmistokehityksen osalta, jotta niiden potentiaalia voidaan optimoida. Siksi kestää jonkin aikaa ennen kuin piisirunäkyvyyden käyttö yleistyy, mutta teknologia on vasta alussa, ja ottaen huomioon tekoälyn kehityksen nopeus, tämä voi varmasti nopeutua.

Klikkaa tästä oppiaksesi kvanttien laskennan nykytilasta.