Fotoniğin Moore Yasasını Canlı Tutması Mümkün mü?

Moore Yasası, bir entegre devredeki transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir, bilgisayar gücüyle birlikte artacağını belirler. Bu ilke 1965’ten beri büyük ölçüde doğru olmuştur. Ancak, Intel’ (INTC ) in kurucu ortaklarından Gordon E. Moore’un çiplerin miniaturizasyon sınırlarına ulaşarak hesaplama gücünün geride kalacağını hiç düşünmediği varsayılabilir.

Neyse ki, Kaliforniya Üniversitesi’nden bir mühendis ekibi, boyutu feda etmeden daha fazla hesaplama gücü sağlamak için fotoniği kullanan yeni bir yöntem geliştirdi. İşte bilmeniz gerekenler.

Küçült

Dünya, bilgisayarların icadından beri onları küçültme peşinde. Büyük ebeveynlerinizin, bilgisayarların bir bütün oda ve birçok kişi gerektirdiği zamanları hatırlamaları bile mümkün. Bugün, akıllı saatiniz bu devasa makinelerden daha fazla hesaplama gücü sağlıyor ve bu, mikrohesaplama açısından sadece buzdağının görünen kısmı. Bir bütün odadan bugünün mikroelektroniklerine uzanan yolculuk, deneyler, keşifler ve zaman zaman başarısızlıklarla dolu heyecan verici bir süreç oldu.

Fiziksel ve Maliyet Sınırlamaları

Özellikle, bu kadar mikroskobik bileşenlerin üretiminin maliyet açısından sürdürülemez bir noktaya geldiği bir aşama vardır. Çoğu araştırmacıya göre, piyasa bu noktaya ulaşmıştır. Ayrıca, daha küçük çipler daha büyük muadillerine orantılı bir hesaplama gücü sağlayamadığı için hesaplamalı kazançlar Moore Yasası ile uyumlu değildir.

Bu nedenle, mevcut hesaplama gücü ile ihtiyaç duyulan arasında artan bir boşluk oluşmakta ve Nvidia (NVDA ) CEO’su Jensen Huang gibi piyasadaki tanınmış bazı oyuncular, Moore Yasası’nın öldüğünü ve geleceğin uygulamaya özgü işlemciler olduğunu söylemektedir.

Yüksek Performanslı Bilgisayarlara Talep

Yapay zeka ve makine öğrenimi sistemlerinin ani büyümesi, güçlü bilgisayar ve bulut platformlarına olan talebi artırdı. Bu talepler, performans açısından çip tasarımını geride bırakarak yapay zeka geliştirme sektöründe bir darboğaz yarattı ve yeniliği sınırladı. Şimdi, günümüzün yüksek performanslı bilgisayar ve yapay zeka sistemlerinin gereksinimlerine ayak uydurabilecek bir çözüm bulma yarışı başladı.

Bilgi İşlem Gücü Çözümleri

Bazı analistler, bir çözümün mantık ve işlem birimini aynı çipte birleştiren özel çipler üretmek olduğunu düşünüyor. Bu yaklaşım gecikmeyi ve enerji tüketimini azaltmaya yardımcı olur ve performansı artırır. Ancak, hesaplamalı sınırlamalar hâlâ büyük yapay zeka veri gereksinimlerinden bahsederken ideal olmaktan uzaktır.

Bellek Hesaplama

Araştırmacıları heyecanlandıran bir diğer çözüm bellek hesaplamadır. Bu depolama yöntemi, dönen sabit disk yerine hızlı erişimli RAM kullanır. Özellikle, bir bilgisayar ağı üzerinden RAM’ler, ara katman yazılımı ile paralel çalışacak şekilde yapılandırılır. Bu depolama yöntemi geleneksel yöntemlere göre 5000 kat daha hızlıdır ancak hâlâ Moore Yasası’nı yakalayamamaktadır.

Fotoni̇k

Fotoni̇k, araştırmacıların ilgisini çeken bir diğer yüksek performanslı hesaplama yöntemidir. Fotoni̇k, elektronik kullanarak ışık dalgalarını algılayarak çalışır. Bilim, programlanabilir optik ağırlık matrisinden geçerken ışığın üretilmesi ve kontrol edilmesi etrafında döner.

Bu ağırlıklar, optik giriş vektörleri üzerinde doğrusal dönüşüm yapabilen, kalıcı olmayan optik modülatörlerden oluşan 2B bir dizi içerir. Bu strateji, RAM hesaplama yöntemlerine göre daha hızlı anahtar geçişi sağlar.

Fotoni̇ğin Mevcut Sınırlamaları

Fotoni̇ğin bilgisayarlarda bazı dezavantajları, mevcut sistemlerin yalnızca yaklaşık 1000 kez yeniden yazılabilmesidir. Bu sınırlı ömür, onları pahalı bir seçenek haline getirir. Ayrıca, optik ağırlıkların depolama yoğunluğu düşüktür ve programlama geleneksel çiplere göre daha yavaştır.

Fotoni̇k hesaplama sistemleri çeşitli biçim ve tasarımlarda gelir. Ancak, bu sistemler karşıtlarından çok daha pahalı olan özel üretim süreçlerine ihtiyaç duyar. Maliyet kısıtlamalarına rağmen, birçok araştırmacı fotoni̇ğin bilgisayarın geleceği olduğuna ve Wright Yasası’nın uygulanmasının anahtarı olduğuna inanıyor.

Wright Yasası

Ayrıca, Wright Yasası da yarı iletkenlerde ilerleme yeteneğimizde rol oynamaya devam edecektir. Bu yasa, havacılık mühendisi Theodore Paul Wright tarafından ortaya konmuş bir üretim ilkesidir. Bir uçak üretim tesisinde çalışırken, üretim süreçleri iyileştikçe işgücü gereksinimlerinin %15 azaldığını, üretim seviyeleri artarken fark etti.

Bu maliyet tasarrufları, iyileştirilmiş süreçler, teknoloji, geri kazanım sistemleri ve üretim sırasında yapılan diğer yükseltmelerden kaynaklandı. Bu nedenle, birçok analist Wright Yasası’nın fotoni̇ği gelecekte daha ulaşılabilir ve daha az maliyetli bir seçenek haline getireceğine inanıyor.

Wright Yasası’nı zaten AI sektöründe gerçekleşirken görebilirsiniz. Birkaç yıl önce, ortalama bir kişinin bir AI sistemine erişmesi veya onu çalıştırması imkânsızdı. AI modelleri oluşturmak, yönetmek ve yükseltmek çok pahalıydı. Ayrıca, AI’nın insanlarla etkileşime girebileceği güvenilir bir yol kimse yaratmamıştı.

Ancak, ChatGPT gibi programların piyasaya sürülmesinden beri, herkes bu güçlü araçları verimliliğini ve yaratıcılığını artırmak için kullanabiliyor. Bu sistemler, basit sohbet komutlarıyla herkesin kolayca çalıştırabileceği büyük dil modellerini entegre eder. Bu gelişme, AI benimsenmesini patlatarak mevcut hesaplama gücü eksikliklerine yol açtı.

Fotoni̇k Çalışması

Nature Photonics dergisinde yayınlanan “Entegre geri dönüşümsüz manyeto-optiklerle ultra yüksek dayanıklılık sağlayan fotonik bellek içi hesaplama”¹ çalışması, piyasayı devrim niteliğinde değiştirebilecek yeni bir optik hesaplama yöntemini ortaya koymaktadır. Çalışma, bellek içi fotonik hesaplama için optik ağırlıkların kodlanmasını ayrıntılı olarak inceliyor.

Kaynak – Nature

Araştırmacılar, hesaplama hedeflerine ulaşmak için manyeto-optik bellek hücreleri ve rezonans tabanlı bir fotonik mimari kullanmayı seçti. Strateji, manyeto-optik malzemelerde geri dönüşümsüz faz kaymasını, fotonik bellek içi hesaplamayı uygulamanın bir yolu olarak kullanır.

Yeni bir matematiksel model, ekibin manyeto-optik malzemeleri test etmesini sağladı. Seriyum ile yer değiştirilmiş yttrium demir garnet (YIG)’in, ışığın yayılımını kontrol etmek için dış bir manyetik alan kullanılmasına izin verdiğini buldular. Bu kontrol edilen ışık daha sonra hesaplamalar yapmak için kullanılabilir.

Çalışma, çok küçük manyetiklerin veriyi verimli bir şekilde depolayabildiğini ve yıldırım hızıyla erişebildiğini gösterdi.

The process of encoding the magnets works by setting the unit’s magnetic domain strength. To operate the device, electronic signals must be converted to the optical domain using electro-optic (E/O) modulators for programming and storage. From there, Balanced photodetectors (BPDs) convert the differential optical signal back to an electrical signal so that the CMOS logic can process it alongside the SRAM.

Fotoni̇k Testi

Araştırmacılar, geri dönüşümsüz manyeto-optik bellek hücrelerini test etmek için çeşitli yaklaşımlar kurdu. 2 bitlik bir elektrik girişiyle iki pozitif ve iki negatif optik ağırlık elde ettiler. Ardından, manyetik alan değişiklikleri izlemek için manipüle edildi.

Seriyum İle Yer Değiştirilmiş Yttrium Demir Garnet (YIG),

Test aşaması için 750 °C’de radyo frekans püskürtme yöntemiyle laboratuvar ortamında 500 nm kalınlığında tek kristalli bir YIG büyütüldü. Özellikle ekip, 35 µm halka yarıçapına sahip bir wafer kullanmaya karar verdi. Ayrıca, Si katmanını Ce : YIG katmanından ayırmak amacıyla 10 nm kalınlığında ince bir silikon oksit tabakası entegre edildi.

Fotoni̇k Programlama

Bellek hücresinin durumunu programlamak, entegre bir altın elektromıknatıs tarafından sağlanan radyal düzlem içi manyetik alanı gerektirir. Sistem, ferromanyetik ince film aracılığıyla uygulanan yön ve manyetik alana bağlı olarak optik kayıp değişimlerini elektronik olarak ölçebilir.

Bu düzenleme, programlanabilir, geri dönüşümsüz bir manyetik alan oluşturur ve mühendislerin bellek hücresinde geri dönüşümsüz optik faz kayması yaratmasına olanak tanır. Özellikle çalışma, mikro halka rezonatörünün saat yönünde (CW) ve saat yönünün tersinde (CCW) modlarını, hesaplama verilerini programlamak ve erişmek için belgeledi.

Fotoni̇k Yaşam Döngüsü

Belleğin yaşam döngüsünü test etmek bir başka adımdı. Ekip, yaklaşımlarının bir parçası olarak yazma ve silme darbeleri arasında dönen rastgele bir fonksiyon jeneratörü programladı. Sistem 10 kHz bir hızda ayarlandı. Mühendisler, gerçek dünya yeniden yazmayı taklit etmek için ±5 V genlik ve 500 ns darbe genişliği kullandılar. Sonuçlar göz açıcıydı.

Fotoni̇k Sonuçları

Test sonuçları, bu yeni fotoni̇k yönteminin bilgisayar dünyasını sonsuza kadar değiştirebileceğini gösterdi. Birincisi, yeni sistem neredeyse sınırsız yeniden yazma yeteneği sergiledi. Özellikle 2,4 milyar programlama döngüsü elde edildi.

Ayrıca, mühendisler manyeto-optik malzemelerde geri dönüşümsüz faz kaymalarını kullanmanın, bunların deterministik olarak hızlı ve verimli bir şekilde programlanmasını sağladığını belirledi. Veriler, yaklaşık 1 GHz bir programlama hızının mümkün olduğunu gösterdi. Ayrıca ekip, mevcut yöntemleri aşan geri dönüşümsüz, çok seviyeli kodlama elde etti. Sonuç olarak, bu araştırma bilgisayar pazarını ileriye dönük devrim niteliğinde değiştirebilir.

Fotoni̇k Faydaları

Birçok fayda, fotoni̇k çalışmasını bir oyun değiştirici yapıyor. Birincisi, yeni sistem büyük hesaplama gücü gerektiren karmaşık işlemleri gerçekleştirebilir. Bu sistemler, matris-vektör çarpımı ve diğer ileri bilimsel işlemler gerektiren AI ve ML uygulamaları için idealdir.

Azaltılmış Gecikme

Bilim insanları, fotoni̇ğin geleneksel seçeneklere kıyasla daha yüksek hızlar sağladığını buldu. Test aşaması 1 ns bellek erişimi ortaya koydu. Bu oran, önceki fotoni̇k cihazlardan 100 kat daha hızlıdır ve yeni bir yenilik seviyesinin kapısını açıyor.

Daha Düşük Enerji Tüketimi

Enerji verimliliği, fotoni̇k sisteminin piyasaya getirdiği bir diğer faydadır. Bu sistem, diğer seçeneklerin güç gereksinimlerinin bir kısmı kadar bellek yeniden programlayabilir ve erişebilir. Ekip, bit başına 143 fJ bir verimlilik yakaladı ve yeni sistemin gereksinimlerini diğer fotoni̇k seçeneklerin 1/10’u seviyesine indirdi.

Yeniden Programlanabilir

Fotoni̇k araştırmasının en büyük avantajlarından biri, bu cihazların neredeyse sınırsız bir yeniden programlanabilirlik döngüsüne sahip olduğunun ortaya çıkmasıdır. Başka hiçbir bilgisayar depolama seçeneği, kullanıcılara veriyi +2Bx yeniden yazma imkanı sunmaz. Bu nedenle, bu bilimsel araştırma veri merkezleri üzerinde büyük bir etki yaratabilir.

Fotoni̇k Araştırmacıları

Fotoni̇k araştırması, Santa Barbara, John Bowers ve Galan Moody tarafından yönetildi. Paolo Pintus, Nathan Youngblood, Yuya Shoji ve Mario Dumont da fotoni̇k sistemin araştırma ve geliştirilmesinde kritik roller üstlendiler. Şimdi ekip, yarının AI devrimini güçlendirecek en iyi seçeneği bulmak için araştırmalarını diğer malzemelere genişletmeyi hedefliyor.

Fotoni̇k Araştırmasından Yararlanabilecek Şirketler

Bu araştırmayı ürün ve hizmetlerini geliştirmek için kullanabilecek çeşitli şirketler vardır. Bulut bilişim ağları ve veri merkezleri, bu teknolojiyi uygularlarsa gelirlerinde büyük artış görecek iki açık sektördür. İşte bu bilgiden faydalanmak için mükemmel konumda olan bir firma.

Snowflake

Snowflake (SNOW ) 2012 yılında bulut bilişim pazarına girdi. Merkezi Montana’da bulunan şirket, Benoît Dageville, Thierry Cruanes ve Marcin Żukowski tarafından yüksek performanslı bulut bilişim sağlamak amacıyla ortak kurulmuştur. Bugün Snowflake, firmaların bulutta veri depolamasını, taşımasını ve işlemesini mümkün kılan kritik bir rol oynuyor.

Snowflake, yenilik taahhüdü, ileri hizmetleri ve konumu nedeniyle birçok kişi tarafından en iyi hisse seçimi olarak görülüyor. Şirket, 2029 yılına kadar milyonlarca çalışanı AI ile beceri kazandırmayı amaçlayan One Million Minds + One Platform girişimiyle yakın zamanda manşetlere çıktı.

Snowflake, bulut bilişim sektöründeki en saygın isimlerden biridir. Şu anda günlük +4,2 milyar sorgu işliyor ve Forbes listelerinde yer alan 800 şirket dahil +10 000 müşteriye sahip. Bu destek ve müşteri tabanı, şirket hisselerine olan ilgiyi artırabilir.

Snowflake, bir veri merkezinde fotoni̇k depolama sistemi uygularsa, büyük yatırım getirileri görebilir. Sistem daha az alan kaplar, daha az enerji gerektirir ve çok daha az ısı üretir. Ayrıca, sınırsız yeniden yazma ömrüne sahip olacak ve müşterilerine daha düşük gecikme sunabilecek. Bu da geliri artırabilir.

Fotoni̇k – Işığı Kullanarak Bilgisayarı Bir Sonraki Seviyeye Taşımak

Fotoni̇k, dünyanın yeni bir hesaplama anlayışı seviyesini açığa çıkarmak için ihtiyaç duyduğu şey olabilir. Bu teknoloji, mühendislerin bugün aradığı uzun ömür ve sürdürülebilirliği sunar. Sonuç olarak, birçok kişi bu araştırmayı AI hareketi için kritik olarak görüyor. Tüm bu faktörler, fotoni̇k bilgisayar hareketinin tam zamanında olduğunu gösteriyor.

Diğer ilginç bilgisayar projelerini burada öğrenin.

Çalışma Referansı:

^{1. Pintus, P., Dumont, M., Shah, V., et al. (2025). Fotoni̇k bellek içi hesaplama için ultra yüksek dayanıklılığa sahip entegre geri dönüşümsüz manyeto-optikler. Nature Photonics, 19(1), 54–62. https://doi.org/10.1038/s41566-024-01549-1}