Pergeseran Revolusioner ke Prosesor AI Optik

Nathan Youngblood dari Universitas Pittsburgh memelopori komputasi optik untuk meningkatkan AI dan efisiensi komputasi, didukung oleh hibah yang signifikan dan berfokus pada penciptaan tenaga kerja teknologi yang beragam.

Permintaan eksponensial akan daya komputasi yang tinggi jauh melebihi kemampuan sistem elektronik saat ini; namun, para insinyur di Universitas Pittsburgh menyoroti solusi baru.

Nathan Youngblood, peneliti utama dan asisten profesor teknik elektro dan komputer di Pitt's Swanson School of Engineering, menerima Penghargaan Pengembangan Karir Dini Fakultas senilai $552,166 dari National Science Foundation (NSF) dan penghargaan $449,240 dari Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara (AFOSR) ) melalui Investigator Program Young (YIP) untuk melanjutkan karya perintisnya di bidang material perubahan fasa dan komputasi optik.
“Dr. Youngblood adalah bintang yang sedang naik daun dan salah satu peneliti, cendekiawan, dan pendidik muda terbaik di Pitt Engineering,” kata Alan George, Ketua Departemen, Ketua R&H Mickle Endowed, dan Profesor Teknik Elektro dan Komputer serta pendiri SHREC. “Dua pencapaian terbarunya – CAREER Award dan AFOSR Young Investigator Award – sungguh luar biasa dan kami sangat bangga padanya serta bersemangat dengan program penelitian dan kelompok mahasiswanya yang berkembang.”

Komputasi optik, juga disebut komputasi fotonik, telah menunjukkan hasil yang menjanjikan dibandingkan perangkat keras konvensional dengan menggunakan gelombang cahaya yang dihasilkan oleh laser atau sumber lain untuk penyimpanan data, pemrosesan data, atau komunikasi data untuk komputasi. Namun, teknologi saat ini membatasi kepraktisannya.

Dengan penghargaan ini, Youngblood akan menyelidiki dua pendekatan berbeda untuk meningkatkan kecepatan, keandalan, dan efisiensi komputasi optik. Pendekatan pertama berfokus pada penggunaan sifat cahaya seperti gelombang untuk meningkatkan efisiensi komputasi optik, sedangkan pendekatan kedua berfokus pada peningkatan memori optik untuk meningkatkan throughput komputasi.

Komputasi di Dunia AI

Untuk Penghargaan KARIRnya, Youngblood's akan fokus pada pengembangan perangkat keras komputasi optik berefisiensi tinggi untuk mengatasi tantangan kecerdasan buatan (AI) yang kritis.

“Seiring dengan semakin menonjolnya layanan aplikasi AI, kita memerlukan kekuatan komputasi untuk dapat mendukungnya,” kata Youngblood. “Ada kemajuan penting dalam komputer modern, namun peningkatan efisiensi perangkat keras tradisional tidak bisa mengimbangi sistem yang haus data ini. Komputasi optik memungkinkan hal ini.”

Ketika metode komputasi saat ini mencoba memenuhi tuntutan AI, panas yang tidak diinginkan tercipta karena banyaknya data yang bergerak dengan kecepatan tinggi melalui kabel logam pada prosesor.

“Foton tidak memiliki masalah pemanasan, sehingga Anda dapat memproses data lebih cepat menggunakan cahaya,” jelas Youngblood. “Namun saat ini, prosesor optik belum cukup kuat, akurat, atau efisien untuk benar-benar berguna bagi AI.”

Berkat pendanaan melalui Pitt Momentum Fund, Youngblood dapat memperoleh hibah penyemaian awal dan data awal untuk CAREER Award-nya.

“Saya sangat berterima kasih atas bantuan Pitt dalam memulai penelitian ini,” kata Youngblood.

Perbaikan dalam Komputasi Modern

Jelas sekali bahwa sistem komputasi modern telah mencapai batasnya.

Perangkat keras komputer yang ada terhambat oleh pergerakan data antara memori dan inti pemrosesan, sehingga mengurangi kecepatan komputasi dan menciptakan panas yang tidak diinginkan di dalam mesin.

Melalui Program Penyelidik Muda, Youngblood akan menciptakan perangkat keras fotonik yang memungkinkan komputasi terjadi di dalam rangkaian memori optik itu sendiri, sehingga secara drastis mengurangi pergerakan data. Laboratoriumnya akan melakukan penelitian dengan tiga tujuan utama: meningkatkan efisiensi, keandalan, dan kemampuan pengulangan memori fotonik perubahan fase yang dapat diprogram secara elektrik; merancang jaringan fotonik multilayer analog sepenuhnya untuk komputasi yang cepat dan efisien; dan mendemonstrasikan akselerator dalam memori fotonik analog multi-layer pada chip.

Hasil dari pekerjaan ini akan memajukan pengembangan material baru untuk perangkat fotonik yang dapat dikonfigurasi ulang dan mengintegrasikan komponen-komponen ini ke dalam sistem komputasi optoelektronik.

“Platform yang dihasilkan diharapkan memiliki dampak signifikan untuk aplikasi Angkatan Udara dan Luar Angkasa yang memerlukan komputasi latensi sangat rendah, diskriminasi target, dan navigasi otonom di mana terdapat kebutuhan mendesak untuk pemrosesan informasi berkecepatan sangat tinggi,” kata Youngblood.

Proyek, “Akselerator dalam memori fotonik untuk komputasi latensi rendah dan efisien,” adalah bagian dari $21,5 juta yang diberikan kepada penerima YIP yang menerima hibah tiga tahun hingga $450,000. Individu yang dipilih harus menunjukkan kemampuan luar biasa dan berjanji untuk melakukan penelitian dasar yang relevan dengan Departemen Angkatan Udara.

Selain kontribusi ilmiah terhadap langkah selanjutnya dalam bidang optik dan komputasi modern, penghargaan CAREER Youngblood juga akan membantunya mengembangkan beragam tenaga kerja teknologi tinggi di wilayah Pittsburgh yang lebih luas. Inisiatifnya termasuk menciptakan alat pendidikan terjangkau yang memaparkan siswa pada aplikasi nanoteknologi dalam AI, mengadakan lokakarya STEM bekerja sama dengan program penjangkauan Pitt (LEAD), dan membimbing peneliti sarjana melalui program penelitian musim panas EXCEL Pitt. Penilaian sukarela ini akan mengukur hasil pendidikan, memberikan metrik terukur untuk dampak proyek yang lebih luas terhadap keragaman tenaga kerja dan inovasi di bidang AI.