Investigadores de la Universidad Nacional de Seúl y la Universidad Nacional de Seúl han desarrollado un circuito integrado fotónico programable que puede ralentizar la luz cuando sea necesario.
El equipo fue dirigido por Namkyo Park, profesor del Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Nacional de Seúl, y Sankyu Yu, en colaboración con Jianzhi Piao, profesor de la Escuela de Ingeniería Eléctrica e Informática de la Universidad Nacional de Seúl.
La luz lenta puede ayudar a resolver un cuello de botella informático
El rápido crecimiento de la IA generativa y de los modelos de IA a gran escala ha aumentado rápidamente la cantidad de potencia informática necesaria para los centros de datos y los servidores. Los semiconductores electrónicos convencionales luchan por mantenerse al día porque consumen grandes cantidades de energía y enfrentan limitaciones en la velocidad con la que pueden transmitir datos.
Estos desafíos han intensificado el interés en la computación óptica, que utiliza señales luminosas en lugar de eléctricas para procesar información. Los sistemas ópticos pueden potencialmente transferir datos a velocidades extremadamente altas utilizando menos energía.
Sin embargo, la iluminación presenta un gran desafío. Debido a que naturalmente se mueve a una velocidad fija, es difícil retrasar las señales ópticas o mantenerlas temporalmente en su lugar. Estas capacidades son esenciales para crear funciones de memoria intermedia y de memoria en computadoras ópticas.
Para solucionar este problema, los investigadores diseñaron un circuito fotónico programable que puede controlar tanto la velocidad como la forma de la señal óptica. Su enfoque proporciona más flexibilidad en materia de “luz lenta” que los enfoques propuestos anteriormente.
La investigación ha sido publicada en prestigiosas revistas internacionales. ciencia avanzada.
¿Por qué a veces las señales ópticas tienen que esperar?
Los circuitos integrados fotónicos están surgiendo como una tecnología prometedora para el procesamiento rápido y eficiente de información con luz. En los centros de datos, las redes de comunicaciones ópticas y los futuros sistemas informáticos, mover las señales más rápido es sólo una parte del desafío.
Los sistemas deben garantizar que las distintas señales lleguen en el momento correcto. En algunos casos, una señal luminosa debe retrasarse para que pueda permanecer sincronizada con otra información que se mueve a través del sistema.
Un método para crear estos retrasos se basa en la transparencia inducida por resonadores acoplados (CRIT), que utiliza interferencia entre varios resonadores ópticos.
CRIT permite que la luz pase a través de un dispositivo dentro de un rango de frecuencia seleccionado y reduce la velocidad a la que viajan las señales ópticas.
- Transparencia inducida por resonador acoplado (CRIT): Un fenómeno óptico que transmite y retrasa selectivamente la luz dentro de un rango de frecuencia específico a través de interferencias entre múltiples resonadores.
- Resonador óptico: Un dispositivo fotónico que confina o transmite luz de una frecuencia específica durante un período de tiempo específico; Utilizado en retardo, filtrado y modulación de señales.
Los dispositivos ópticos fijos tienen una flexibilidad limitada
Los dispositivos CRIT tradicionales suelen tener características operativas que se fijan una vez fabricados. Esto dificulta cambiar su funcionamiento una vez creados.
Por ejemplo, los ingenieros que quieren crear un retraso de señal más largo o trabajar con un rango de frecuencia diferente a menudo tienen que diseñar y construir un dispositivo fotónico completamente nuevo.
La falta de adaptabilidad aumenta la complejidad del hardware de comunicación óptica y la infraestructura del centro de datos. Esto puede aumentar los costos y ampliar el cronograma de desarrollo siempre que se necesiten nuevas capacidades.
El problema es particularmente importante para los servidores de inteligencia artificial y los centros de datos de próxima generación, donde se deben procesar grandes cantidades de datos en tiempo real. Por lo tanto, los componentes ópticos fijos siguen siendo un obstáculo importante para los sistemas informáticos ópticos más prácticos.
Un diseño programable para el control de iluminación.
El equipo de investigación desarrolló una técnica diferente al tratar los dos estados ópticos en el sistema CRIT, conocidos como modo brillante y modo oscuro, como grados de libertad unificados. Los investigadores también agregaron dos acopladores de bucle controlables.
Juntos, estos cambios crearon un nuevo principio de diseño para circuitos integrados fotónicos programables. Los sistemas de resonador que anteriormente estaban bloqueados en una configuración después de la fabricación se pueden ajustar para diferentes propósitos.
Utilizando la nueva estructura CRIT, los investigadores demostraron que el movimiento de la luz puede retrasarse y controlarse según sea necesario. También demostraron que la interferencia entre los modos brillante y oscuro se puede manipular como un único parámetro de diseño integrado.
Este enfoque amplió enormemente la flexibilidad de los circuitos de resonadores fotónicos que anteriormente estaban limitados por diseños fijos.
Controle el retardo, el ancho de banda y el tamaño de la señal
Los investigadores han demostrado teóricamente que se pueden utilizar dos acopladores de bucle para ajustar el ancho de banda y la forma de la banda de paso. También podrían controlar cuánto tiempo se retrasaban las señales y con qué eficiencia viajaban a través del circuito.
Esto significa que tanto la velocidad como el comportamiento de transmisión de la señal óptica se pueden reconfigurar en todo el sistema que consta de múltiples resonadores en lugar de solo dentro de un solo resonador.
Las simulaciones numéricas también muestran que la velocidad del pulso óptico se puede ajustar dinámicamente mientras el circuito está en funcionamiento.
Los resultados indican que los tiempos de retardo de la señal se pueden cambiar sin degradar el rendimiento del procesamiento. El sistema puede convertir frecuencias de luz sin necesidad de componentes especializados adicionales.
- Pulso óptico: Una breve ráfaga de luz se utiliza como unidad básica para transmitir información en comunicaciones ópticas y sistemas informáticos.
Los chips de simulación pueden ser recomendaciones prácticas
Los investigadores utilizaron nitruro de silicio (Si3norte4) plataforma de circuito integrado fotónico.
También evaluaron una variedad de problemas del mundo real que podrían afectar el dispositivo durante la fabricación y el funcionamiento. Estos incluían pérdidas de material, diferencias en la calidad del resonador, retrodispersión, fluctuaciones de acoplamiento, errores de fase del acoplador de bucle y diafonía térmica.
Las simulaciones indican que la estructura propuesta puede seguir funcionando de forma fiable en condiciones realistas.
- Nitruro de silicio (Si3norte4) Circuito Integrado Fotónico: Una plataforma de guía de ondas altamente estable y de baja pérdida ampliamente utilizada para el procesamiento de señales ópticas y dispositivos fotónicos integrados.
- Diafonía térmica: Un fenómeno en el que se genera calor en una parte de un circuito afecta a los componentes vecinos, cambiando potencialmente el rendimiento del dispositivo.
Un chip puede realizar varias funciones ópticas.
El estudio presenta una plataforma fotónica programable que puede controlar las características de sincronización y frecuencia de las señales de luz en tiempo real.
El diseño puede superar las limitaciones de los dispositivos de retardo ópticos convencionales, que normalmente realizan sólo funciones específicas. También sugiere que eventualmente se podrán integrar varias capacidades importantes en un solo circuito fotónico.
Estas funciones incluyen sincronización de señales, líneas de retardo ajustables, buffers ópticos y conversión de frecuencia.
Los mismos principios de diseño pueden aplicarse fuera del sistema CRIT. Los investigadores creen que el método se puede aplicar a una amplia gama de circuitos fotónicos basados en resonadores, lo que podría proporcionar una base para tecnologías de procesamiento de señales ópticas más adaptativas.
Beneficios potenciales para la IA y los centros de datos
Si se comercializa la tecnología, un único chip óptico programable puede realizar varias tareas, incluido el control de la velocidad de la señal y la conmutación entre diferentes funciones.
En ese sentido, el chip puede actuar como un sistema definido por software y su comportamiento se ajusta según cambian las necesidades.
Esta flexibilidad puede ayudar a los centros de datos y servidores de IA a procesar datos de manera más eficiente al reducir el consumo de energía.
La combinación de múltiples funciones de procesamiento de señales en un solo chip puede hacer que los equipos de comunicación óptica y los sistemas de sensores sean más pequeños y menos costosos.
A largo plazo, la tecnología podría respaldar industrias que dependen de un procesamiento de datos extremadamente rápido, incluida la conducción autónoma, las comunicaciones de próxima generación y la tecnología cuántica.
Los investigadores planean sistemas fotónicos programables más grandes
El coautor del estudio, el profesor Namkyo Park de la Universidad Nacional de Seúl, dijo: “Esta investigación es notable porque propone un nuevo principio de diseño que permite reconfigurar el flujo de luz dentro de los circuitos integrados fotónicos según sea necesario, aumentando en gran medida la flexibilidad del diseño. Planeamos expandir esta tecnología para expandir el flujo de luz a circuitos selectivos y de gran escala basados en circuitos fotográficos fotónicos. Tecnología”.
El coautor principal, el Dr. Seungkyun Park, y el estudiante de doctorado Beomjun Chae, quien dirigió el marco teórico y el análisis numérico, agregaron: “A través de esta investigación, nos dimos cuenta de que reinterpretar la física de resonancia fotónica convencional desde una perspectiva diferente puede servir como punto de partida para descubrir nuevas funcionalidades en los circuitos integrados fotónicos. Planeamos mejorar aún más este dispositivo”.
El Dr. Seungkyun Park está afiliado al Centro InnoCORE PICORE de KAIST y actualmente realiza investigaciones sobre IA fotónica y óptica cuántica en el Laboratorio de Sistemas Fotónicos de la Universidad Nacional de Seúl.
Doctor en Filosofía. El estudiante Beomjoon Chae investiga circuitos integrados fotónicos programables en el Laboratorio de Sistemas de Ondas Inteligentes, SNU.
La investigación contó con el apoyo del Ministerio de Ciencia y TIC a través del Programa Centro de Investigación Innovadora (IRC), el Programa Laboratorio de Investigación Básica (BRL) y el Programa Joven Investigador.
El Dr. Seungkyun Park también participó en este estudio con el apoyo del Programa Inocor (Centro Picor).
