Pesquisadores da Universidade Nacional de Seul e da Universidade Nacional de Seul desenvolveram um circuito integrado fotônico programável que pode desacelerar a luz quando necessário.
O grupo foi liderado pelos professores Namkyo Park e Sunkyu Yoo do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Nacional de Seul, que trabalharam com o professor Xiangji Piao da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Nacional de Seul.
Retardar a luz pode ajudar a resolver um gargalo computacional
O rápido crescimento da inteligência artificial generativa e dos modelos de inteligência artificial em grande escala aumentou dramaticamente a quantidade de poder computacional exigido pelos data centers e servidores. Os semicondutores eletrônicos convencionais lutam para acompanhar porque consomem grandes quantidades de energia e enfrentam limitações na taxa de dados.
Esses problemas alimentaram o interesse pela computação óptica, que utiliza luz em vez de sinais elétricos para processar informações. Os sistemas ópticos podem potencialmente mover dados em velocidades muito altas e consumir menos energia.
No entanto, a luz também apresenta um problema sério. Como ele se move naturalmente a uma velocidade fixa, é difícil atrasar os sinais ópticos ou mantê-los temporariamente no lugar. Esses recursos são importantes para a criação de buffers e funções de memória em computadores ópticos.
Para resolver este problema, os pesquisadores desenvolveram um circuito fotônico programável que pode controlar a velocidade e a forma dos sinais ópticos. A sua abordagem proporciona mais flexibilidade em relação à “luz lenta” do que os métodos propostos anteriormente.
O estudo foi publicado em uma conhecida revista internacional Ciências avançadas.
Por que os sinais ópticos às vezes precisam esperar
Os circuitos integrados fotônicos estão se tornando uma tecnologia promissora para processamento rápido e eficiente de informações com luz. Em data centers, redes de comunicação óptica e futuros sistemas de computação, a movimentação rápida de sinais é apenas parte da tarefa.
Os sistemas também devem garantir que os vários sinais cheguem na hora correta. Em alguns casos, o sinal luminoso deve ser atrasado para que possa permanecer sincronizado com outras informações que circulam pelo sistema.
Um método para criar esses atrasos depende da transparência induzida por ressonador acoplado (CRIT), que utiliza interferência entre vários ressonadores ópticos.
O CRIT permite que a luz em uma faixa de frequência selecionada passe através do dispositivo enquanto reduz a velocidade de propagação do sinal óptico.
- Transparência induzida por ressonador acoplado (CRIT): Um fenômeno óptico que transmite e bloqueia seletivamente a luz em uma faixa de frequência específica por meio de interferência entre vários ressonadores.
- Ressonador óptico: Um dispositivo fotônico que captura ou faz circular luz de uma frequência específica por um período de tempo específico; usado para atraso de sinal, filtragem e modulação.
Dispositivos ópticos fixos limitam a flexibilidade
Os dispositivos CRIT tradicionais geralmente possuem características operacionais que se tornam permanentes após serem fabricados. Isto dificulta a alteração da sua funcionalidade após a fabricação.
Por exemplo, engenheiros que desejam criar um atraso de sinal mais longo ou trabalhar com uma faixa de frequência diferente geralmente precisam projetar e fabricar um dispositivo fotônico inteiramente novo.
A falta de adaptabilidade aumenta a complexidade do hardware de comunicação óptica e da infraestrutura do data center. Também pode aumentar os custos e estender o cronograma de desenvolvimento sempre que novos recursos forem necessários.
O problema é particularmente importante para servidores de IA e centros de dados de próxima geração, onde enormes quantidades de informação devem ser processadas em tempo real. Portanto, os componentes ópticos fixos continuam a ser um grande obstáculo para sistemas de computação óptica mais práticos.
Design programável para controle de luz
A equipe de pesquisa desenvolveu uma estratégia diferente ao tratar os dois estados ópticos nos sistemas CRIT, conhecidos como modo claro e modo escuro, como um único grau de liberdade. Os pesquisadores também adicionaram dois acoplamentos de contorno controlados.
Juntas, essas mudanças criaram um novo princípio de design para circuitos integrados fotônicos programáveis. As empresas de ressonadores que estavam anteriormente presas a uma configuração após a fabricação poderiam, em vez disso, ser configuradas para finalidades diferentes.
Usando a nova estrutura CRIT, os pesquisadores mostraram que o movimento da luz pode ser retardado e controlado conforme necessário. Eles também demonstraram que a interferência entre os modos claro e escuro pode ser considerada como um único parâmetro de projeto integrado.
Esta abordagem expandiu enormemente a flexibilidade dos circuitos ressonadores fotônicos, que anteriormente eram limitados a projetos fixos.
Controle de atraso, largura de banda e forma de onda
Os pesquisadores demonstraram teoricamente que duas junções de loop podem ser usadas para ajustar a largura de banda e o formato da largura de banda. Eles também poderiam controlar por quanto tempo os sinais eram atrasados e com que eficiência esses sinais viajavam pelo circuito.
Isto significa que tanto a velocidade como o comportamento de transmissão dos sinais ópticos podem ser sintonizados em todo o sistema contendo vários ressonadores, e não apenas num único ressonador.
Simulações numéricas também mostraram que a velocidade dos pulsos ópticos pode ser ajustada dinamicamente durante a operação do circuito.
Os resultados mostraram que o tempo de atraso do sinal pode ser alterado sem reduzir o desempenho do processamento. O sistema também poderia converter a frequência da luz sem a necessidade de componentes especializados adicionais.
- Impulso óptico: Uma breve explosão de luz usada como unidade básica de transmissão de informações em comunicação óptica e sistemas de computação.
Simulações mostram que o chip pode ser prático
Os pesquisadores usaram simulações eletromagnéticas tridimensionais para testar se um dispositivo CRIT poderia ser construído em nitreto de silício (Si3N4) plataforma de circuito integrado fotônico.
Eles também avaliaram uma série de problemas do mundo real que poderiam afetar o dispositivo durante a fabricação e operação. Estes incluíram perdas de material, diferenças na qualidade do ressonador, retroespalhamento, oscilações de acoplamento, erros de fase em junções de cadeia e diafonia térmica.
Simulações mostraram que a estrutura proposta pode continuar a funcionar de forma confiável em condições do mundo real.
- Nitreto de silício (Si3N4) circuito integrado fotônico: Uma plataforma de guia de ondas altamente estável e de baixa perda, amplamente utilizada para processamento de sinais ópticos e dispositivos fotônicos incorporados.
- Barreiras cruzadas térmicas: Fenômeno no qual o calor gerado em uma parte de um circuito afeta componentes adjacentes, alterando potencialmente o desempenho do dispositivo.
Um único chip poderia executar várias funções ópticas
A pesquisa apresenta uma plataforma fotônica programável que pode monitorar as propriedades temporais e de frequência dos sinais de luz em tempo real.
O projeto pode superar as limitações dos dispositivos de atraso óptico convencionais, que normalmente executam apenas funções fixas. Também sugere que várias capacidades importantes podem ser combinadas em um único circuito fotônico.
Esses recursos incluem sincronização de sinal, linhas de atraso ajustáveis, buffers ópticos e conversão de frequência.
Os mesmos princípios de design podem ser úteis fora dos sistemas CRIT. Os pesquisadores acreditam que esta abordagem pode ser aplicada a uma ampla gama de circuitos fotônicos baseados em ressonadores, potencialmente estabelecendo as bases para tecnologias de processamento de sinais ópticos mais adaptativas.
Benefícios potenciais para IA e data centers
Se a tecnologia for comercializada, um único chip óptico programável poderá realizar múltiplas tarefas, incluindo controle de taxa de sinal e alternância entre diferentes funções.
Nesse sentido, o chip pode operar como um sistema definido por software, ajustando seu comportamento para atender às novas necessidades.
Essa flexibilidade pode ajudar os data centers e servidores de IA a processar informações com mais eficiência e, ao mesmo tempo, reduzir o consumo de energia.
A combinação de múltiplas funções de processamento de sinal em um único chip também pode tornar os equipamentos de comunicação óptica e os sistemas de sensores menores e mais baratos.
A longo prazo, a tecnologia poderá apoiar indústrias que dependem de um processamento de informação extremamente rápido, incluindo a condução autónoma, comunicações de próxima geração e tecnologia quântica.
Pesquisadores estão planejando sistemas fotônicos programáveis maiores
O professor Namkyo Park, coautor do estudo da Universidade Nacional de Seul, disse:”Esta pesquisa é importante porque oferece um novo princípio de design que permite que o fluxo de luz em circuitos integrados fotônicos seja reconfigurado conforme necessário, aumentando muito a flexibilidade do projeto. Planejamos estender esta tecnologia para circuitos integrados fotônicos programáveis em larga escala baseados em fotônica de silício e tecnologias de inteligência artificial fotônica. “
Primeiros autores Dr. Seungkyun Park e Ph.D. o aluno Bemjun Chae, que liderou o referencial teórico e a análise numérica, acrescentou: “No decorrer desta pesquisa, percebemos que repensar a física de um ressonador fotônico convencional de uma perspectiva diferente pode servir como ponto de partida para a descoberta de novas possibilidades funcionais em circuitos integrados fotônicos. Planejamos desenvolver ainda mais esta pesquisa na direção da implementação prática do dispositivo e verificação experimental. “
Seungkyun Park colabora com o Centro InnoCORE PICORE da KAIST e atualmente conduz pesquisas sobre inteligência artificial fotônica e óptica quântica no Laboratório de Sistemas Fotônicos da Universidade Nacional de Seul.
O estudante de doutorado Beomjoon Chae conduz pesquisas sobre circuitos integrados fotônicos programáveis no Laboratório de Sistemas de Ondas Inteligentes da SNU.
A pesquisa contou com apoio do Ministério da Ciência e TIC por meio dos programas do Centro de Pesquisas Inovadoras (IRC), do Laboratório de Pesquisa Básica (BRL) e do Programa Jovens Pesquisadores.
Dr. Seungkyun Park também participou de pesquisas apoiadas pelo programa InnoCORE (PICORE Center).
