Komputasi pada Kecepatan Cahaya dengan Silicon Photonics

Insinyur dari University of Pennsylvania telah mengembangkan sebuah chip yang menggunakan gelombang cahaya alih-alih listrik untuk melakukan perhitungan rumit yang diperlukan dalam melatih kecerdasan buatan (AI). Inovasi ini dapat secara signifikan mempercepat pemrosesan dan mengurangi penggunaan energi perangkat.

Studi yang dipublikasikan di Nature Photonics menunjukkan bahwa ini adalah “struktur kontras indeks rendah yang dirancang secara invers” pada platform silicon photonics (SiPh), berpotensi memungkinkan platform komputasi analog berbasis gelombang berskala besar.

Silicon photonics menggunakan silikon, elemen yang melimpah dan murah yang dipakai dalam produksi massal chip komputer, mengintegrasikan komponen seperti fotodetektor, saklar optik, gelombang pandu optik, dan modulasi optik pada substrat silikon.

Chip silicon photonic (SiPh) dalam studi ini memanipulasi material pada skala nano untuk melakukan perhitungan matematika menggunakan cahaya. Metode interaksi gelombang cahaya dengan materi ini menjanjikan pengembangan komputer yang melampaui batasan chip saat ini.

“Kami memutuskan untuk bergabung,” kata Profesor H. Nedwill Ramsey Nader Engheta, mengacu pada pengembangan perangkat silikon skala nano oleh kelompok riset Firooz Aflatouni, yang merupakan Associate Professor di Electrical and Systems Engineering.

Tujuannya adalah mengembangkan platform untuk melakukan perkalian vektor-matriks (VMM), yang digunakan dalam pengembangan dan fungsi jaringan saraf yang mendukung alat AI saat ini.

Menurut studi, meskipun metastruktur SiPh yang dirancang secara invers dapat melakukan komputasi analog dengan gelombang elektromagnetik secara efisien, memperbesarnya untuk mengelola sejumlah besar saluran data menjadi tantangan. Untuk mengatasinya, tim mengadopsi pendekatan desain invers 2D untuk membuat sistem lensa amorf yang kompak, biasanya feed-forward dan resonansi rendah. Studi ini berhasil mendemonstrasikan perkalian vektor‑matriks untuk matriks 2 × 2 dan 3 × 3 serta merancang matriks 10 × 10.

Alih-alih menggunakan wafer silikon dengan tinggi seragam, tim secara selektif menipiskan silikon di area tertentu. Variasi tinggi ini memungkinkan kontrol atas transmisi cahaya melalui chip.

Dengan mendistribusikan variasi ini, chip menyebarkan cahaya dalam pola tertentu, memungkinkan ia melakukan perhitungan matematika pada kecepatan cahaya, metode komunikasi tercepat yang mungkin.

Menurut Aflatouni, desain ini sudah siap untuk aplikasi komersial karena batasan yang diberlakukan oleh foundry komersial yang memproduksi chip. Selain itu, desain ini berpotensi diadaptasi untuk digunakan pada unit pemrosesan grafis (GPU), sirkuit elektronik khusus yang saat ini sangat diminati seiring dengan kegilaan AI. Dengan mengintegrasikan platform Silicon Photonics sebagai tambahan, kata Aflatouni, proses pelatihan dan klasifikasi dapat dipercepat.

Namun, manfaatnya melampaui kecepatan dan efisiensi energi, karena chip ini juga meningkatkan privasi. Dengan memungkinkan banyak perhitungan terjadi secara bersamaan, tidak diperlukan penyimpanan informasi sensitif di memori kerja komputer Anda. Hal ini membuat komputer yang didukung teknologi ini pada dasarnya tidak dapat diretas. Aflatouni berkomentar:

“Tidak ada yang dapat meretas memori yang tidak ada untuk mengakses informasi Anda.” 

Didanai sebagian oleh hibah dari US Air Force Office of Scientific Research’s Multidisciplinary University Research Initiative dan hibah lain dari US Office of Naval Research, studi ini bertujuan mengatasi keterbatasan chip yang digunakan saat ini, yang beroperasi berdasarkan prinsip yang telah ada selama beberapa dekade terakhir. Namun dengan memanfaatkan kekuatan cahaya, pendekatan baru ini dapat membuka jalan bagi generasi baru pengembangan AI.

Potensi Besar Silicon Photonics

Selama beberapa dekade terakhir, penelitian dan pengembangan material ini terus berlanjut. Baru-baru ini, Silicon Photonics (SiPh) mendapatkan perhatian karena meningkatnya permintaan akan pemrosesan data yang cepat dan efisien.

Minat yang meningkat ini membuat ukuran pasar global silicon photonics bernilai $1,29 miliar pada 2022 dan diproyeksikan tumbuh dengan CAGR 25,8 % pada akhir dekade ini, menurut Grand View Research. Pertumbuhan ini disebabkan oleh kebutuhan akan kecepatan transfer data yang lebih tinggi dan aplikasi yang memerlukan bandwidth besar.

SiPh adalah platform yang sempurna di sini karena efisiensi ekonominya dan kepadatan integrasi yang tinggi. Selain itu, mengingat SiPh kompatibel dengan fabrikasi elektronik, sirkuit terintegrasi fotonik SiPh (PIC) dapat diproduksi menggunakan infrastruktur foundry yang sudah mapan. SiPh juga berpotensi mengintegrasikan ratusan hingga ribuan perangkat ke dalam PIC kompleks dengan skalabilitas desain dan fabrikasi yang mirip dengan CMOS, membuka aplikasi baru di persimpangan fotonik dan komputasi.

Dengan demikian, melalui transmisi berkecepatan tinggi, kepadatan integrasi tinggi, sifat optik yang luar biasa, konsumsi daya yang lebih rendah, dan manufaktur yang relatif murah, Silicon Photonics telah menjadi teknologi berharga di berbagai bidang.

Sebagai contoh, penelitian terus berlanjut mengenai penerapan silicon photonics dalam LiDAR untuk mengemudi otonom dan otomasi industri. LiDAR menggunakan cahaya yang dipantulkan pada permukaan alih-alih sinyal radio frekuensi (RF) untuk menganalisis dan menyampaikan informasi penting tentang lingkungan sekitar.

Selain itu, silicon photonics dapat digunakan untuk sensing (misalnya, sensing optik), di mana transmisi sinyal dan penerimaan sinyal optik yang dipancarkan dapat membantu menentukan sifat lingkungan sekitar. Hal ini dapat bermanfaat untuk aplikasi kesehatan dan perangkat wearable kesehatan konsumen.

Selain kendaraan otonom dan sensing, penggunaan silicon photonics juga telah dieksplorasi dalam telekomunikasi, komunikasi kuantum, biomedis, dirgantara, astronomi, dan AR/VR. Silicon photonics juga menunjukkan potensi untuk integrasi penuh dan pemrosesan informasi kuantum optik berskala besar.

Kemudian ada AI, yang membutuhkan komputasi berkinerja tinggi. Dengan kegilaan AI mencapai puncak baru dan diperkirakan terus tumbuh, industri chip menghadapi kebutuhan mendesak akan inovasi. Mereka bekerja keras menempatkan lebih banyak transistor pada satu chip untuk secara signifikan meningkatkan daya pemrosesan dan efisiensi energi. Peningkatan tersebut penting untuk melatih dan menjalankan algoritma AI dengan lebih akurat, cepat, dan biaya yang lebih rendah.

Dalam upaya memenangkan perlombaan semikonduktor, bahkan China sedang membangun jalur produksi chip fotonik karena kecepatan perhitungannya yang lebih cepat dan kapasitas informasinya yang lebih besar, yang akan jauh melampaui chip berbasis silikon yang ada.

Pengubah Permainan untuk AI

Kegilaan AI tidak menunjukkan tanda-tanda melambat. Gelombang baru kemajuan teknologi ini muncul sebagai kekuatan kuat yang akan merevolusi banyak industri dan mengubah masa depan. Dengan AI yang cepat menjadi bagian integral dari kehidupan sehari-hari kami dan aplikasi yang intensif data semakin kompleks, semua pihak mulai dari perusahaan, pemerintah, institusi, hingga ilmuwan mencari cara untuk membuatnya lebih efisien.

Hal ini mendorong orang beralih ke silicon photonics, yang merupakan salah satu teknologi paling menjanjikan untuk menangani perhitungan kompleks dan mahal yang dilakukan oleh jaringan saraf dalam (deep neural networks), subkumpulan algoritma pembelajaran mesin yang memungkinkan kinerja model menjadi lebih akurat. Jaringan dalam terdiri dari lapisan yang berisi hubungan matematika.

Dengan kompleksitas tersebut, silicon photonics dapat membantu meningkatkan kinerja dan efisiensi biaya, yang akan memperbaiki fungsi aplikasi AI dan pembelajaran mesin. Dunia AI/ML membutuhkan pertukaran data yang cepat sambil mengonsumsi energi sesedikit mungkin dan, pada saat yang sama, harus mempertahankan kepadatan komputasi yang tinggi.

Di sini, silicon photonics memungkinkan komunikasi yang lebih baik antar unit komputasi. Material ini juga memungkinkan penggunaan interkoneksi optik jarak pendek untuk mentransfer data secara efisien dalam jarak relatif pendek di dalam aplikasi AI/ML. Transmisi data yang cepat sangat penting untuk pengambilan keputusan secara real-time.

Dengan cara ini, silicon photonics berkontribusi pada efektivitas dan kinerja keseluruhan sistem AI. Dengan memanfaatkan material ini, perusahaan dapat membuka kemampuan komputasi yang lebih besar dan memperoleh hasil yang lebih akurat serta responsif.

Silicon photonics sangat cocok untuk komputasi karena sirkuit semacam itu dapat lebih cepat daripada sirkuit elektronik tradisional. Selain itu, pemrosesan optik mereka secara inheren paralel, yang memungkinkan melakukan banyak tindakan secara bersamaan.

Silicon photonics juga memungkinkan komponen dasar digabungkan dalam berbagai kombinasi untuk membangun sirkuit yang sangat kompleks, memungkinkan penciptaan sistem canggih yang disesuaikan untuk aplikasi tertentu.

Masa depan silicon photonics dalam AI, seperti yang kita lihat, cerah, mengingat potensinya untuk mengubah algoritma AI dan lebih meningkatkan kemampuan sistem AI. Ini memang waktu yang menarik bagi silicon photonics.

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang berinvestasi dalam kecerdasan buatan. 

Meninjau Produsen Chip Populer

Sekarang, mari kita lihat beberapa nama terkemuka yang berada di bisnis manufaktur chip:

#1. NVIDIA Corporation

Pemimpin dalam industri chip, Nvidia, saat ini merupakan perusahaan ketiga paling berharga di pasar saham AS. Bagaimanapun, mereka menguasai sekitar 80 % pasar chip AI. Dengan sahamnya diperdagangkan pada $793,50, perusahaan ini mencapai kapitalisasi pasar $1,95 triliun. 

Saham Nvidia telah melambung luar biasa dan sudah naik 58,6 % YTD. Dengan itu, perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar 11,93, P/E (TTM) sebesar 65,84, dan ROE (TTM) sebesar 69,17 %. Mereka juga membayar dividen sebesar 0,02 %.

Seiring permintaan melonjak di seluruh dunia di berbagai industri dan negara, Nvidia melaporkan hasil kuartal keempatnya, dengan pendapatan lebih dari tiga kali lipat menjadi $22,1 miliar. Menurut CEO dan co-founder Jensen Huang:

“Komputasi terakselerasi dan AI generatif telah mencapai titik kritis.”

Meningkatnya permintaan akan chip-nya membuat perusahaan memperkirakan pertumbuhan pendapatan Q1 sebesar 233 %. Chip pusat data H100 perusahaan adalah yang membantu perusahaan memimpin ruang AI. Chip ini dioptimalkan untuk memproses sejumlah besar data dan komputasi dengan kecepatan tinggi, menjadikannya solusi sempurna untuk tugas pelatihan model AI yang memerlukan daya tinggi. 

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang berinvestasi di NVIDIA Corporation (NVDA).

#2. Intel Corporation

Pembuat chip berbasis AS ini sedang bangkit kembali saat memperluas bisnis foundry-nya, yang memproduksi desain chip untuk perusahaan lain. Microsoft telah memilih perusahaan ini untuk membuat semikonduktor kelas atas dan “membangun kembali manufaktur Barat secara skala besar.” 

Chip tersebut akan dirancang menggunakan node 18A Intel, proses manufaktur yang membuat semikonduktor lebih kecil dan lebih hemat energi. “Intel adalah perusahaan chip unggulan negara ini,” kata Sekretaris Perdagangan AS Gina Raimondo sambil mencatat bahwa Google, OpenAI, dan lainnya yang membangun LLM akan membutuhkan volume semikonduktor yang “menakjubkan” dalam beberapa tahun mendatang.

Pada saat penulisan, saham Intel diperdagangkan pada $43,12, turun 14,47 % YTD, yang menempatkan kapitalisasi pasar perusahaan pada $181,7 miliar. Perusahaan memiliki EPS (TTM) sebesar 0,38, P/E (TTM) sebesar 113,46, dan ROE (TTM) sebesar 1,63 %. Mereka juga membayar dividen sebesar 1,16 %. Menurut CEO Intel Pat Gelsinger:

“Permintaan keseluruhan (untuk chip AI) tampaknya tidak dapat dipuaskan selama beberapa tahun ke depan.”

#3. Samsung

Raksasa teknologi berbasis Korea Selatan ini berencana merilis teknologi chip 2nm untuk memperoleh keunggulan atas produsen chip lainnya. Menurut rencana Samsung’s Foundry Forum (SFF), perusahaan akan mulai memproduksi proses 2nm secara skala besar pada 2025 untuk aplikasi seluler dan akan beralih ke aplikasi komputasi berperforma tinggi pada tahun berikutnya serta kemudian masuk ke industri otomotif. Setahun setelah itu, Samsung diperkirakan akan memulai proses 1,4nm.

Perusahaan ini memiliki kapitalisasi pasar $373 miliar dengan sahamnya diperdagangkan pada $1.373. Samsung memiliki Rasio PE (TTM) sebesar 14,25, EPS (TTM) sebesar 96,44, dan membayar dividen sebesar 1,98 %. Dalam laporan keuangan Q4 2023, Samsung mencatat bahwa divisi foundry-nya telah mengamankan kesepakatan untuk chip AI 2nm dari startup AI Jepang Preferred Networks (PFN), yang sebelumnya bekerja sama dengan Taiwan Semiconductor Manufacturing Co (TSMC). 

Pembuat chip ini juga berkolaborasi dengan Arm untuk mengoptimalkan inti Cortex‑X pada teknologi proses pembuatan chip paling canggihnya, GAA. Pada akhir tahun lalu, Samsung juga menandatangani kerja sama dengan Tenstorrent, yang bertujuan menantang Nvidia sebagai pelanggannya. 

Kesimpulan

Seiring kemajuan AI mendorong permintaan akan daya komputasi yang lebih tinggi, silicon photonics muncul sebagai teknologi menjanjikan, yang berpotensi mengurangi latensi sekaligus meningkatkan efisiensi dengan memungkinkan pembuatan komponen fotonik pada silikon menggunakan proses manufaktur semikonduktor standar. 

Meskipun silicon photonics memiliki banyak keunggulan, mereka tidak akan menggantikan chip elektronik dalam waktu dekat. Hal ini karena kemampuan silicon photonics masih terbatas secara sempit serta memiliki hambatan teknis dalam pengembangan perangkat lunak untuk mengoptimalkan kemampuannya. Jadi, akan memerlukan waktu sebelum penggunaan silicon photonics menjadi luas, namun teknologi ini baru saja memulai, dan mengingat laju kemajuan teknologi AI, hal ini tentu dapat dipercepat.

Klik di sini untuk mempelajari tentang keadaan terkini komputasi kuantum.