پژوهشگران در راستای شتاب‌دهی به هوش مصنوعی، با استفاده از مدارهای مجتمع فوتونی (PICs) ساخته‌شده از نیمه‌هادی‌های پیشرفته III-V، سیستمی طراحی کرده‌اند که از نظر سرعت و بهره‌وری انرژی، عملکردی به مراتب بهتر از پردازنده‌های گرافیکی سیلیکونی دارد.
به گزارش تکناک، نیمه‌هادی‌های III-V به دسته‌ای از مواد نیمه‌هادی گفته می‌شود که از ترکیب عناصر گروه سوم و گروه پنجم جدول تناوبی ساخته شده‌اند. این ترکیب‌ها برخلاف سیلیکون (که یک عنصر گروه چهارم است)، خواص الکترونیکی و نوری بسیار ویژه‌ای دارند.
این پلتفرم پیشرفته که برای سریع‌تر کردن هوش مصنوعی، به‌جای الکتریسیته از نور بهره می‌برد، می‌تواند شیوه آموزش و اجرای مدل‌های هوش مصنوعی را دگرگون کند.
این فناوری نه‌تنها مصرف انرژی را کاهش می‌دهد، بلکه مقیاس‌پذیری هوش مصنوعی را تا سطوحی بی‌سابقه افزایش می‌دهد و می‌تواند تحولاتی بنیادین در مراکز داده و سیستم‌های هوشمند آینده ایجاد کند.
هوش مصنوعی، صنعتی نوظهور اما به سرعت در حال تحول است، که برای آموزش و پردازش نیاز به توان محاسباتی بسیار بالایی دارد. اگرچه اکنون بیشتر این پردازش‌ها توسط GPUها انجام می‌شود، اما مصرف بالای انرژی و مقیاس‌پذیری محدود آنها به یک چالش اساسی تبدیل شده است. بنابراین، نیاز فوری به سخت‌افزاری بهینه‌تر و پایدارتر احساس می‌شود.
مطالعه‌ای جدید که در مجله IEEE منتشر شده، پلتفرمی نوآورانه معرفی می‌کند، که استفاده از مدارهای مجتمع فوتونی برای شتاب‌دهی به هوش مصنوعی است.
دکتر «باسم طسون»، پژوهشگر ارشد آزمایشگاه‌های Hewlett Packard، نشان داده است که چگونه این مدارها با بهره‌گیری از نیمه‌هادی‌های III-V می‌توانند بارهای کاری هوش مصنوعی را سریع‌تر و با انرژی کمتر، پردازش کنند.
بر خلاف سخت‌افزارهای معمولی که از شبکه‌های عصبی الکترونیکی بهره می‌برند، این رویکرد جدید از شبکه‌های عصبی نوری استفاده می‌کند؛ مداراتی که به جای برق با نور محاسبه می‌کنند. این ویژگی‌ها باعث می‌شود تا چنین سیستمی با سرعت نور و اتلاف انرژی ناچیز، توان پردازشی هوش مصنوعی را به طور چشم‌گیری افزایش دهد.
دکتر طسون در این‌باره توضیح داد: «اگرچه ساخت فوتونیک سیلیکونی آسان‌تر است، اما مقیاس‌پذیری آن برای مدارات مجتمع پیچیده دشوار می‌باشد. پلتفرم ما می‌تواند به عنوان زیرساختی برای شتاب‌دهنده‌های فوتونی با بهره‌وری انرژی و مقیاس‌پذیری بالا مورد استفاده قرار گیرد.»
در این پروژه، با استفاده از رویکرد «ادغام ناهمگن»، نیمه‌هادی‌های III-V با فوتونیک سیلیکونی ترکیب شدند. این ترکیب امکان ادغام لیزرها و تقویت‌کننده‌های نوری را فراهم می‌کند، که اتلاف نوری را کاهش می‌دهد و امکان طراحی مدارهایی با تراکم و پیچیدگی بالا را فراهم می‌سازد.
ساخت این پلتفرم با ویفرهای سیلیکونی روی لایه عایق (SOI) آغاز شد. فرایندهای لیتوگرافی، اچ خشک، دوپینگ برای MOSCAP و ساخت لایه‌های گیرنده برای APD صورت گرفت. سپس رشد انتخابی سیلیکون و ژرمانیوم انجام شد. نیمه‌هادی‌های III-V مانند InP یا GaAs از طریق باندینگ ویفر به این ساختار افزوده شدند. لایه‌های اکسید آلومینیوم یا هافنیم برای بهبود بازدهی افزوده و در نهایت، یک لایه ضخیم دی‌الکتریک برای پایداری حرارتی و انسداد نهایی اضافه شد.
دکتر طسون بیان کرد: «پلتفرم ناهمگن III-V بر پایه SOI تمامی اجزای لازم برای معماری محاسبات فوتونی و اپتوالکترونیکی را فراهم می‌کند.» این فناوری به‌ویژه برای شتاب‌دهنده‌های آنالوگ فوتونی مناسب است، چرا که می‌توانند از مقادیر پیوسته برای نمایش داده‌ها استفاده کنند.
با این پلتفرم می‌توان روی یک تراشه فوتونی، تمامی اجزای مورد نیاز شبکه‌های عصبی نوری را با ادغام ویفری ساخت، که از این جمله می‌توان به لیزرهای درون‌تراشه‌ای، تقویت‌کننده‌ها، آشکارسازهای پرسرعت، مدولاتورهای کم‌مصرف و شیفترهای فاز غیر فرّار اشاره کرد. این موضوع باعث شده است که بهره‌وری انرژی و چگالی این سیستم تا ۲۹۰ برابر بالاتر از پلتفرم‌های فوتونی موجود و ۱۴۰ برابر بیشتر از پیشرفته‌ترین سخت‌افزارهای الکترونیکی دیجیتال باشد.
این دستاورد یک جهش فناورانه در شتاب‌دهی به هوش مصنوعی و یادگیری ماشین به حساب می‌آید. کاهش مصرف انرژی، افزایش بهره‌وری پردازشی و باز شدن افق‌های جدید در کاربردهای هوش مصنوعی از مهم‌ترین مزایای آن است. این فناوری در آینده‌ای نزدیک می‌تواند توان پردازشی مراکز داده را افزایش دهد و راه‌حلی کارآمد برای چالش‌های انرژی و محاسبات فراهم آورد.
