Дослідники із Сеульського національного університету та Сеульського університету розробили програмовану фотонну інтегральну схему, здатну уповільнювати світло за потреби.
Уповільнення світла може допомогти розв'язати проблему вузького місця в обчислювальній техніці
Швидке зростання генеративного ШІ та великомасштабних моделей ШІ різко збільшило обсяг обчислювальної потужності, необхідної центрам обробки даних та серверам. Традиційні електронні напівпровідники важко справляються з цим завданням, оскільки споживають велику кількість енергії й мають обмеження швидкості передачі даних.
Ці проблеми посилили інтерес до оптичних обчислень, які використовують світло, а не електричні сигнали для обробки інформації. Оптичні системи потенційно можуть передавати дані з надзвичайно високою швидкістю, споживаючи менше енергії.
Однак світло також є серйозною проблемою. Оскільки оптичні сигнали природно рухаються з фіксованою швидкістю, їх важко затримувати або тимчасово утримувати на місці. Ці можливості потрібні для створення буферів та функцій пам'яті в оптичних комп'ютерах.
Для розв'язання цієї проблеми дослідники розробили програмовану фотонну схему, яка може керувати як швидкістю, так і формою оптичних сигналів. Їхній підхід забезпечує більшу гнучкість щодо «повільного світла», ніж раніше запропоновані методи.
Дослідження було опубліковано у відомому міжнародному журналі Advanced Science.
Чому оптичним сигналам іноді потрібно чекати
Фотонні інтегральні схеми стають перспективною технологією швидкої та ефективної обробки інформації за допомогою світла. У центрах обробки даних, оптичних мережах зв'язку та майбутніх обчислювальних системах швидке переміщення сигналів – це лише частина проблеми.
Системи також повинні гарантувати, що різні сигнали надходять у потрібний час. У деяких випадках світловий сигнал необхідно затримувати, щоб він залишався синхронізованим з іншою інформацією, що переміщається системою.
Один із методів створення таких затримок ґрунтується на прозорості, індукованій пов'язаними резонаторами (CRIT), яка використовує інтерференцію між декількома оптичними резонаторами.
CRIT дозволяє світлу у вибраному діапазоні частот проходити через пристрій, одночасно зменшуючи швидкість розповсюдження оптичного сигналу.
Фіксовані оптичні пристрої обмежують гнучкість
Традиційні пристрої CRIT зазвичай мають робочі характеристики, які стають постійними після їхнього виготовлення. Це ускладнює зміну їхньої роботи після виробництва.
Наприклад, інженерам, які хочуть створити велику затримку сигналу або працювати в іншому частотному діапазоні, часто доводиться проєктувати та виготовляти новий фотонний пристрій.
Така негнучкість збільшує складність оптичного комунікаційного обладнання та інфраструктури центрів обробки даних. Це також може підвищити витрати та продовжити термін розробки за необхідності нових можливостей.
Ця проблема особливо важлива для серверів ШІ та центрів обробки даних наступного покоління, де необхідно обробляти величезні обсяги інформації в режимі реального часу. Тому фіксовані оптичні компоненти залишаються серйозною перешкодою створення більш практичних оптичних обчислювальних систем.
Програмована конструкція для керування світлом
Дослідницька група розробила іншу стратегію, розглядаючи два оптичні стани в системах CRIT, відомі як світлий режим і темний режим як один єдиний ступінь свободи. Дослідники також додали два керовані петлеві з'єднувачі.
Спільно ці зміни створили новий принцип проєктування програмованих фотонних інтегральних схем. Резонаторні схеми, які були зафіксовані в одній конфігурації після виготовлення, тепер можна коригувати для різних цілей.
Використовуючи нову структуру CRIT, дослідники показали, що рух світла можна затримувати та контролювати за необхідності. Вони також продемонстрували, що інтерференцію між світлими та темними режимами можна опрацьовувати як єдиний інтегрований параметр проєктування.
Цей підхід значно розширив гнучкість фотонних резонаторних схем, яка раніше була обмежена фіксованими конструкціями.
Управління затримкою, смугою пропускання та формою сигналу
Дослідники теоретично продемонстрували, що два петлеві з'єднувачі можна використовувати для регулювання смуги пропускання та форми смуги пропускання. Вони також могли контролювати тривалість затримки сигналів та ефективність їх розповсюдження ланцюгом.
Це означає, що швидкість та характеристики передачі оптичних сигналів можуть бути переналаштовані в рамках усієї системи, що містить кілька резонаторів, а не лише в межах одного резонатора.
Число моделювання також показало, що швидкість оптичних імпульсів може динамічно регулюватися під час роботи схеми.
Результати показали, що час затримки можна змінювати без зниження продуктивності обробки. Система також може перетворювати частоту світла без необхідності використання спеціалізованих додаткових компонентів.
Моделювання передбачає практичну застосовність чипа
Дослідники використовували тривимірне електромагнітне моделювання, щоб перевірити, чи можна побудувати пристрій CRIT на платформі інтегральних фотонних схем з нітриду кремнію (Si3N4).
Вони також оцінили низку реальних проблем, які можуть вплинути на пристрій під час виробництва та експлуатації. До них відносяться втрати матеріалу, відмінності резонаторів, зворотне розсіювання, флуктуації зв'язку, фазові помилки в петлевих з'єднувачах і теплові перехресні перешкоди.
Моделювання показало, що запропонована структура може продовжувати надійно працювати у реальних умовах.
Один чип може виконувати кілька оптичних функцій
У дослідженні представлена програмована фотонна платформа, здатна в реальному часі керувати як часовими, так і частотними характеристиками світлових сигналів.
Запропонована конструкція може подолати обмеження традиційних оптичних пристроїв затримки, які виконують лише фіксовані функції. Також передбачається, що в одній фотонній схемі можна буде об'єднати кілька важливих можливостей.
Ці функції включають синхронізацію сигналів, регульовані лінії затримки, оптичні буфери та перетворення частоти.
Ті ж принципи проєктування можуть бути корисними й поза системами CRIT. Дослідники вважають, що цей підхід може бути застосований до широкого спектра фотонних схем на основі резонаторів, потенційно створюючи основу більш адаптованих технологій обробки оптичних сигналів.
Потенційні переваги для ШІ та центрів обробки даних
Якщо технологія буде комерціалізована, один програмований оптичний чип зможе виконувати кілька завдань, включаючи керування швидкістю сигналу та перемикання між різними функціями.
У цьому сенсі чип може працювати аналогічно програмно-визначуваній системі, адаптуючи свою поведінку відповідно до потреб, що змінюються.
Така гнучкість може допомогти центрам обробки даних та серверам ШІ обробляти інформацію більш ефективно, одночасно знижуючи енергоспоживання.
Об'єднання кількох функцій обробки сигналів на одному чипі також може зробити оптичне комунікаційне обладнання та сенсорні системи менше та дешевше.
У довгостроковій перспективі ця технологія може підтримати галузі, які залежать від надзвичайно швидкої обробки інформації, включаючи автономне водіння, зв'язок наступного покоління та квантові технології.
Дослідники планують створення більших програмованих фотонних систем
Професор Намкю Пак, співавтор дослідження із Сеульського національного університету, заявив: "Це дослідження є важливим тим, що воно пропонує новий принцип проєктування, що дозволяє перебудовувати потік світла всередині фотонних інтегральних схем за потреби, значно підвищуючи гнучкість проєктування. Ми плануємо розширити цю технологію до великомасштабних програмованих фотонних інтегральних схем на основі кремнієвої фотоніки та фотонних технологій ШІ."
