Για να αυξηθεί η ισχύς των συστημάτων τεχνητής νοημοσύνης, δεν αρκεί να γίνουν τα υπολογιστικά chips ταχύτερα. Πρέπει επίσης να μεταφέρουν δεδομένα με μικρότερες απώλειες και χαμηλότερη κατανάλωση. Μια νέα δουλειά ερευνητών του Caltech επιχειρεί να αντιμετωπίσει ακριβώς αυτό το πρόβλημα, μεταφέροντας την απόδοση της οπτικής ίνας σε φωτονικά κυκλώματα πάνω σε wafers πυριτίου.
Τι δημιούργησε η ομάδα του Caltech
Οι ερευνητές κατασκεύασαν οπτικούς κυματοδηγούς — νανοσκοπικές διαδρομές που κατευθύνουν το φως — από germano-silicate, ένα γυαλί παρόμοιο με εκείνο που χρησιμοποιείται στις οπτικές ίνες. Η τεχνική προσαρμόζει το υλικό σε διαδικασία λιθογραφίας κατάλληλη για wafers 8 και 12 ιντσών, δηλαδή σε διαστάσεις συμβατές με την παραγωγή ηλεκτρονικών chips.
Οι διαδρομές δεν είναι ευθείες. Σχηματίζουν σπείρες, ώστε το φως να διανύει πολύ μεγαλύτερη απόσταση μέσα σε μια μικρή επιφάνεια. Η λογική μοιάζει με το τύλιγμα μιας οπτικής ίνας σε καρούλι, μόνο που εδώ η γεωμετρία δημιουργείται με νανοκατασκευή πάνω στο chip.
Η προσέγγιση έχει ένα κρίσιμο πλεονέκτημα: το germano-silicate λιώνει σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία. Οι ερευνητές μπορούν έτσι να «ξαναλιώσουν» την επιφάνεια των κυματοδηγών, περιορίζοντας την τραχύτητα μέχρι το επίπεδο μεμονωμένων ατόμων. Αυτό μειώνει τη σκέδαση του φωτός, η οποία περιορίζει τις συμβατικές φωτονικές διατάξεις στο ορατό φάσμα.
Το άλμα στο ορατό φάσμα
Στο κοντινό υπέρυθρο, η νέα πλατφόρμα έχει ήδη φτάσει τις επιδόσεις ορισμένων από τις καλύτερες προηγούμενες διατάξεις από νιτρίδιο του πυριτίου. Η διαφορά γίνεται πολύ μεγαλύτερη στα ορατά μήκη κύματος: σύμφωνα με τη μελέτη, οι κυματοδηγοί από germano-silicate ξεπερνούν το προηγούμενο ρεκόρ του silicon nitride κατά 20 φορές.
Η χαμηλή απώλεια δεν είναι απλώς ένας αριθμός εργαστηρίου. Σε έναν οπτικό συντονιστή δακτυλίου, το φως μπορεί να κυκλοφορεί επανειλημμένα. Όσο λιγότερη ενέργεια χάνεται σε κάθε γύρο, τόσο μεγαλύτερη είναι η αποτελεσματική απόσταση που διανύει το φως και τόσο ενισχύεται η απόδοση της συσκευής. Για laser που βασίζονται σε τέτοιους συντονιστές, οι ερευνητές αναφέρουν βελτίωση μεγαλύτερη από 100 φορές στη διάρκεια της οπτικής συνοχής σε σχέση με προηγούμενες σχεδιάσεις.
Γιατί αφορά τα data centers της AI
Τα μοντέλα AI απαιτούν τεράστια ανταλλαγή δεδομένων ανάμεσα σε επεξεργαστές, μνήμες και επιταχυντές. Σήμερα, μέρος αυτής της επικοινωνίας γίνεται με οπτικά συστήματα, όμως οι απώλειες στη μεταφορά και η ανάγκη για μετατροπές ανάμεσα σε ηλεκτρικά και οπτικά σήματα επιβαρύνουν την κατανάλωση των data centers.
Η νέα πλατφόρμα δεν αποτελεί έτοιμη λύση για εμπορικούς servers. Δείχνει όμως έναν δρόμο για φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα που συνδέουν αποδοτικότερα οπτικές ίνες, semiconductor lasers και υπολογιστικά συστήματα. Αν η τεχνολογία κλιμακωθεί, θα μπορούσε να περιορίσει ένα μέρος του ενεργειακού κόστους των διασυνδέσεων, που γίνεται ολοένα σημαντικότερο όσο αυξάνεται η ζήτηση για υποδομή AI.
Από τα οπτικά ρολόγια στην κβαντική τεχνολογία
Οι πιθανές εφαρμογές δεν περιορίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη. Η ομάδα περιγράφει δακτυλιοειδείς συντονιστές, διαφορετικούς τύπους laser και μη γραμμικούς συντονιστές που παράγουν πολλαπλές συχνότητες. Η ευρύτερη κάλυψη από το ιώδες έως το κοντινό υπέρυθρο μπορεί να υποστηρίξει οπτικά ρολόγια, γυροσκόπια, μικροσκοπικούς ατομικούς αισθητήρες και συστήματα ιοντικών παγίδων.
Για την κβαντική τεχνολογία, η σταθερότητα και ο έλεγχος του φωτός είναι θεμελιώδεις. Για τους αισθητήρες και τα ρολόγια, η υψηλή οπτική συνοχή μπορεί να μεταφραστεί σε ακριβέστερες μετρήσεις. Αυτές είναι δυνατότητες που η μελέτη παρουσιάζει ως κατεύθυνση ανάπτυξης, όχι ως προϊόντα που είναι ήδη διαθέσιμα στην αγορά.
Το επόμενο εμπόδιο είναι η κλιμάκωση
Η δημοσίευση στο Nature περιγράφει την πρόοδο ως σημαντικό ενδιάμεσο βήμα. Οι ερευνητές σημειώνουν ότι η πλατφόρμα δεν έχει φτάσει ακόμη στο όριο των δυνατοτήτων της. Το ζητούμενο τώρα είναι να αποδειχθεί ότι η κατασκευή μπορεί να ενσωματωθεί αξιόπιστα σε μεγαλύτερες παραγωγικές ροές, με κόστος και αποδόσεις που να αντέχουν έξω από το εργαστήριο.
Αν αυτό συμβεί, η εξέλιξη θα είναι σημαντική επειδή ενώνει δύο κόσμους που μέχρι σήμερα είχαν διαφορετικές απαιτήσεις: την καθαρότητα και τη χαμηλή απώλεια της οπτικής ίνας με την κλίμακα και την επαναληψιμότητα της παραγωγής chips. Το αποτέλεσμα μπορεί να επηρεάσει τόσο την υποδομή AI όσο και την επιστημονική μέτρηση, χωρίς να εξαρτάται από μία μόνο εφαρμογή.
Πηγή: California Institute of Technology μέσω ScienceDaily. Η σχετική μελέτη δημοσιεύθηκε στο Nature με τίτλο «Towards fibre-like loss for photonic integration from violet to near-infrared».