Yapay zeka (YZ) teknolojilerinin hızla gelişmesiyle birlikte, bu sistemlerin enerji ihtiyacı da önemli bir sorun haline geliyor. Bu noktada, Massachusetts Teknoloji Enstitüsü'nde (MIT) görevli mühendisler, yapay zeka çiplerini daha enerji verimli hale getirebilecek önemli bir buluşa imza attı. Geliştirilen teknoloji, devre bileşenlerinin üst üste istiflenmesi prensibine dayanıyor.
Yeni yaklaşımda, hesaplama işlemlerini gerçekleştiren mantık (logic) bileşenleri ile veriyi depolayan bellek (memory) bileşenleri, birbirlerine yakın konumlandırılıyor. Bu sayede, verinin bileşenler arasındaki transferi sırasında yaşanan enerji kaybı minimize ediliyor. MIT'deki araştırmacılar, hem mantık hem de bellek işlevlerini tek bir çip üzerinde birleştiren bir tür "bellek transistörü" geliştirdi. Bu nano ölçekli cihaz, daha az elektriksel kusura sahip olması sayesinde daha hızlı çalışabiliyor ve daha az enerji tüketiyor.
Bu çığır açan teknoloji, özellikle yapay zeka, derin öğrenme ve bilgisayarlı görü gibi enerji yoğun uygulamalar için büyük önem taşıyor. Uluslararası Enerji Ajansı'nın (IEA) verilerine göre, veri merkezlerinin küresel elektrik tüketiminin 2030 yılına kadar yaklaşık %130 artarak 945 Terawatt-saate ulaşması bekleniyor. Bu artışın temel nedenlerinden biri de yapay zekaya olan artan bağımlılık.
Günümüzde, yapay zeka modelleriyle yapılan tek bir etkileşim bile, soğutma için önemli miktarda enerji gerektirebiliyor. Yapay zekada harcanan enerjinin büyük bir kısmı ise hesaplama yapmak yerine verinin bileşenler arasında taşınmasıyla ilgili. Bu nedenle, çip üzerinde yaşanacak küçük bir enerji tasarrufunun bile genel sistemler üzerinde büyük bir etkisi olabileceği düşünülüyor.
Araştırmanın baş yazarlarından Yanjie Shao, yaptığı açıklamada, "Gelecekte yapay zeka ve diğer veri odaklı hesaplamalar için kullandığımız enerjiyi en aza indirmemiz gerekiyor çünkü bu sürdürülebilir değil. Bu tür entegrasyon platformları, ilerlemeyi sürdürmemiz için gereklilik arz ediyor," dedi.
İstifleme Enerji Tasarrufu Sağlıyor, Ancak Kolay Değil
Modern çipler, elektrik akışını kontrol eden açma/kapama anahtarları olan transistörlerden oluşan mantık devrelerini içerir. Bu transistörler bir araya gelerek çiplerin bilgiyi işleme şekli olan ikili 1'leri ve 0'ları temsil eder. Ayrıca, transistörlerin yanı sıra veriyi depolayabilen diğer malzemeleri içeren bellek devreleri de bulunur.
Mantık ve bellek devreleri geleneksel olarak ayrı tutulur ve verinin aradaki teller ve ara bağlantılar aracılığıyla hareket etmesi gerekir, bu da enerji israfına neden olur. Aktif bileşenleri istiflemek bariz bir çözüm gibi görünse de, zorluk bileşenlere zarar vermeden bunu başarmaktan kaynaklanıyor. Bu bileşenleri oluşturan ultra ince katmanların kontrollü oluşumu olan biriktirme (deposition) işlemi, bazı transistörler ısıya dayanamayacağı için örneğin düşük sıcaklıklarda yapılmalıdır.
Bu sorunu aşmak için araştırmacılar, mantık transistörlerini, elektriğin aktığı bölge olan aktif kanal katmanı indiyum oksitten oluşan bir yapı ile inşa ettiler. Bu malzeme, yaklaşık 150 derece Celsius gibi, diğer transistörleri etkilemeyecek kadar düşük bir sıcaklıkta, iki nanometrelik bir katman halinde biriktirilebiliyor.
İndiyum oksit transistörünün ötesinde, araştırmacılar veriyi depolayabilen ve işleyebilen bir bellek bileşeni olan 10 nanometrelik ferroelektrik hafnium-zirkonyum-oksit katmanını dikey olarak istiflediler. Ortaya çıkan bellek transistörü, sadece 10 nananiyede açılıp kapanabiliyor ve 1.8 voltun altında çalışıyor. Tipik ferroelektrik bellek transistörlerinin anahtarlama hızları genellikle çok daha düşüktür ve 3 ila 4V arasında voltaj gerektirir.
Bellek transistörü, çipin ön ucundaki aktif bileşenleri birbirine bağlayan teller ve metal bağların bulunduğu çipin "arka ucuna" inşa edilerek daha da verimli hale getiriliyor. Bu durumun, çipin entegrasyon yoğunluğunu önemli ölçüde artırdığı belirtiliyor.
Yapılan iki çalışmada, bellek transistörü fonksiyonel bir devreden ziyade bir çip benzeri yapıya entegre edildi. Araştırma ekibi, transistörün performansını artırarak önce tek bir devreye, ardından daha büyük elektronik sistemlere entegre etmeyi hedefliyor.
Yanjie Shao, "Artık bir çipin arka ucunda, çok küçük cihazlarda yüksek enerji verimliliği ve birçok farklı işlevsellik elde etmemizi sağlayan çok yönlü elektroniklerden oluşan bir platform inşa edebiliyoruz. İyi bir cihaz mimarisine ve üzerinde çalışacak malzemeye sahibiz, ancak nihai performans sınırlarını ortaya çıkarmak için yenilik yapmaya devam etmeliyiz," şeklinde konuştu.
