Perkembangan teknologi kecerdasan buatan (AI) terus melaju pesat, namun infrastruktur pendukungnya masih menghadapi tantangan besar. Sebuah terobosan terbaru di bidang hardware AI menawarkan solusi menjanjikan: platform akselerasi AI berbasis sirkuit fotonik terintegrasi (PIC) yang menggunakan cahaya, bukan listrik, sebagai medium komputasi.
Penelitian yang dipublikasikan dalam IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics mengungkap potensi besar teknologi ini. Tim peneliti yang dipimpin Dr. Bassem Tossoun dari Hewlett Packard Labs berhasil mengembangkan platform PIC yang mengungguli GPU tradisional dalam hal efisiensi energi dan kecepatan pemrosesan.
"Platform perangkat kami dapat digunakan sebagai blok pembangun untuk akselerator fotonik dengan efisiensi energi dan skalabilitas yang jauh lebih besar dibandingkan teknologi terkini," jelas Dr. Tossoun.
Keunggulan Sirkuit Fotonik
Berbeda dengan hardware konvensional yang menggunakan jaringan saraf terdistribusi elektronik (DNN), pendekatan baru ini memanfaatkan jaringan saraf optik (ONN). Sirkuit ONN melakukan komputasi menggunakan cahaya, bukan listrik, sehingga dapat bekerja dengan kecepatan cahaya dan meminimalkan kehilangan energi.
Platform ini menggunakan pendekatan integrasi heterogen dalam fabrikasi hardware-nya. Selain silicon photonics, tim peneliti juga menggunakan semikonduktor senyawa III-V yang secara fungsional mengintegrasikan laser dan penguat optik untuk mengurangi kehilangan optik dan meningkatkan skalabilitas.
Semikonduktor III-V memungkinkan pembuatan PIC dengan densitas dan kompleksitas yang lebih tinggi. PIC yang menggunakan semikonduktor ini mampu menjalankan semua operasi yang diperlukan untuk mendukung jaringan saraf, menjadikannya kandidat utama untuk hardware akselerator AI generasi mendatang.
Proses Fabrikasi Platform
Fabrikasi dimulai dengan wafer silicon-on-insulator (SOI) yang memiliki lapisan silikon setebal 400 nm. Setelah melalui proses litografi dan etsa kering, dilakukan doping untuk perangkat metal oxide semiconductor capacitor (MOSCAP) dan avalanche photodiodes (APD).
Selanjutnya, dilakukan pertumbuhan selektif silikon dan germanium untuk membentuk lapisan absorpsi, muatan, dan multiplikasi APD. Semikonduktor senyawa III-V (seperti InP atau GaAs) kemudian diintegrasikan ke platform silikon menggunakan teknik die-to-wafer bonding.
Lapisan tipis gate oxide (Al₂O₃ atau HfO₂) ditambahkan untuk meningkatkan efisiensi perangkat. Terakhir, lapisan dielektrik tebal dideposisikan untuk enkapsulasi dan stabilitas termal.
Keunggulan Platform Fotonik
Dr. Tossoun menjelaskan, "Platform heterogen III-V-on-SOI menyediakan semua komponen esensial yang diperlukan untuk mengembangkan arsitektur komputasi fotonik dan optoelektronik untuk akselerasi AI/ML. Ini sangat relevan untuk akselerator fotonik ML analog, yang menggunakan nilai analog kontinu untuk representasi data."
Platform fotonik unik ini mampu mencapai integrasi skala wafer dari berbagai perangkat yang diperlukan untuk membangun jaringan saraf optik pada satu chip fotonik tunggal. Komponen-komponen tersebut meliputi perangkat aktif seperti laser dan amplifier on-chip, fotodetektor berkecepatan tinggi, modulator hemat energi, dan phase shifter non-volatil.
Hal ini memungkinkan pengembangan akselerator berbasis TONN (Tensor Optical Neural Networks) dengan efisiensi energi footprint 2,9 × 10² kali lebih besar dibandingkan platform fotonik lainnya dan 1,4 × 10² kali lebih besar dibandingkan elektronik digital paling canggih.
Dampak Teknologi Fotonik pada Masa Depan AI
Terobosan teknologi ini berpotensi mentransformasi cara AI dilatih dan digunakan. Selain menurunkan biaya energi, teknologi ini juga dapat meningkatkan kinerja AI ke level yang belum pernah dicapai sebelumnya. Dampaknya bisa sangat luas, mulai dari pusat data hingga sistem cerdas di masa depan.
Platform ini akan mengatasi tantangan komputasi dan energi, membuka jalan bagi hardware akselerator AI yang lebih tangguh dan berkelanjutan di masa depan. Ke depannya, teknologi ini akan memungkinkan pusat data untuk menampung lebih banyak beban kerja AI dan membantu menyelesaikan berbagai masalah optimisasi.
Dengan kemampuannya yang luar biasa, teknologi sirkuit fotonik ini menjanjikan revolusi dalam pengembangan dan implementasi AI. Efisiensi energi yang tinggi dan kecepatan pemrosesan yang luar biasa membuka peluang bagi aplikasi AI yang lebih canggih dan berkelanjutan di berbagai bidang.
