Çip i ri fotonik i programueshëm mund të kontrollojë sa shpejt lëviz drita

Shkencëtarët kanë krijuar një çip optik të programueshëm që mund ta ngadalësojë dritën sipas kërkesës, duke u dhënë inxhinierëve kontroll shumë më të madh mbi mënyrën se si sinjalet optike përhapen nëpër një qark. Teknologjia mund të sigurojë vonesat, sinkronizimin dhe funksionet e ruajtjes së përkohshme të sinjaleve të nevojshme për ta bërë më praktik kompjuterizimin me bazë dritën. Një çip i vetëm mund të kryejë në të ardhmen disa detyra që aktualisht kërkojnë pajisje të veçanta, duke ulur potencialisht përdorimin e energjisë, koston dhe kompleksitetin në serverët e inteligjencës artificiale dhe qendrat e të dhënave.

Çipi i ri mund ta ngadalësojë dritën me komandë

Diagram konceptual i qarkut të integruar fotonik CRIT të programueshëm: paraqet mënyrën se si pulset optike përjetojnë ndryshime në vonesën kohore dhe karakteristikat e frekuencës ndërsa përhapen nëpër qark.
Krediti: Kolegji i Inxhinierisë i Universitetit Kombëtar të Seulit

Studiuesit në Universitetin Kombëtar të Seulit dhe Universitetin e Seulit kanë zhvilluar një qark të integruar fotonik të programueshëm që mund ta ngadalësojë dritën sa herë që nevojitet.

Ekipi u drejtua nga profesorët Namkyoo Park dhe Sunkyu Yu nga Departamenti i Inxhinierisë Elektrike dhe Kompjuterike në Universitetin Kombëtar të Seulit, në bashkëpunim me profesorin Xianji Piao nga Shkolla e Inxhinierisë Elektrike dhe Kompjuterike në Universitetin e Seulit.

Ngadalësimi i dritës mund të ndihmojë në zgjidhjen e pengesës së kompjuterizimit

Rritja e shpejtë e inteligjencës artificiale gjeneruese dhe modeleve të mëdha të inteligjencës artificiale ka rritur ndjeshëm sasinë e fuqisë kompjuterike të nevojshme nga qendrat e të dhënave dhe serverët. Gjysmëpërçuesit elektronikë tradicionalë po përballen me vështirësi për të mbajtur ritmin, sepse konsumojnë sasi të mëdha energjie dhe kanë kufizime në shpejtësinë me të cilën mund të transmetojnë të dhëna.

Këto sfida kanë rritur interesin për kompjuterizimin optik, i cili përdor dritën në vend të sinjaleve elektrike për përpunimin e informacionit. Sistemet optike mund të transmetojnë të dhëna me shpejtësi jashtëzakonisht të larta duke përdorur më pak energji.

Megjithatë, drita paraqet gjithashtu një sfidë të madhe. Për shkak se ajo natyrshëm lëviz me një shpejtësi të përcaktuar, është e vështirë të vonohen sinjalet optike ose të mbahen përkohësisht në një vend. Këto aftësi janë thelbësore për krijimin e funksioneve të memorieve dhe tamponëve në kompjuterët optikë.

Për të zgjidhur këtë problem, studiuesit projektuan një qark fotonik të programueshëm që mund të kontrollojë si shpejtësinë ashtu edhe formën e sinjaleve optike. Qasja e tyre siguron një fleksibilitet më të madh mbi "dritën e ngadaltë" krahasuar me metodat e propozuara më parë.

Pse sinjalet optike ndonjëherë duhet të presin

Qarqet e integruara fotonike po shfaqen si një teknologji premtuese për përpunimin e shpejtë dhe efikas të informacionit me anë të dritës. Në qendrat e të dhënave, rrjetet e komunikimit optik dhe sistemet e ardhshme kompjuterike, lëvizja e shpejtë e sinjaleve është vetëm një pjesë e sfidës.

Sistemet duhet gjithashtu të sigurojnë që sinjale të ndryshme të mbërrijnë në kohën e duhur. Në disa raste, një sinjal drite duhet të vonohet në mënyrë që të mbetet i sinkronizuar me informacionet e tjera që lëvizin nëpër sistem.

Një metodë për krijimin e këtyre vonesave bazohet në transparencën e shkaktuar nga rezonatorët e çiftuar (CRIT), e cila përdor ndërhyrjen midis disa rezonatorëve optikë.

CRIT lejon që drita brenda një diapazoni të zgjedhur frekuencash të kalojë përmes një pajisjeje, duke reduktuar gjithashtu shpejtësinë me të cilën udhëton sinjali optik.

Transparenca e shkaktuar nga rezonatorët e çiftuar (CRIT): Një fenomen optik që transmeton dhe vonon në mënyrë selektive dritën brenda një diapazoni të caktuar frekuencash përmes ndërhyrjes midis shumë rezonatorëve.

Rezonator optik: Një pajisje fotonike që kufizon ose qarkullon dritën e një frekuence të caktuar për një periudhë kohe; përdoret në vonesën e sinjaleve, filtrimin dhe modulimin.

Pajisjet optike fikse kufizojnë fleksibilitetin

Pajisjet tradicionale CRIT zakonisht kanë karakteristika funksionimi që bëhen të pandryshueshme pasi prodhohen. Kjo e bën të vështirë ndryshimin e mënyrës së funksionimit të tyre pas fabrikimit.

Për shembull, inxhinierët që duan të krijojnë një vonesë më të gjatë të sinjalit ose të punojnë me një diapazon tjetër frekuencash shpesh duhet të projektojnë dhe prodhojnë një pajisje fotonike krejtësisht të re.

Kjo mungesë përshtatshmërie rrit kompleksitetin e pajisjeve të komunikimit optik dhe infrastrukturës së qendrave të të dhënave. Ajo gjithashtu mund të rrisë kostot dhe të zgjasë afatet e zhvillimit sa herë që nevojiten aftësi të reja.

Problemi është veçanërisht i rëndësishëm për serverët e inteligjencës artificiale dhe qendrat e të dhënave të gjeneratës së ardhshme, ku sasi të mëdha informacioni duhet të përpunohen në kohë reale. Për këtë arsye, komponentët optikë me funksione fikse kanë mbetur një pengesë kryesore për sistemet praktike të kompjuterizimit optik.

Një dizajnkipi kërkimor zhvilloi një strategji të ndry i programueshëm për kontrollimin e dritës

Ekipi kërkimor zhvilloi një strategji të ndryshme duke i trajtuar dy gjendje optike në sistemet CRIT, të njohura si modaliteti i ndritshëm (bright mode) dhe modaliteti i errët (dark mode), si një shkallë të vetme të integruar lirie. Studiuesit shtuan gjithashtu dy bashkues me unazë të kontrollueshëm.

Së bashku, këto ndryshime krijuan një parim të ri projektimi për qarqet e integruara fotonike të programueshme. Rregullimet e rezonatorëve, të cilat më parë ishin të fiksuara në një konfigurim të vetëm pas fabrikimit, tani mund të përshtateshin për qëllime të ndryshme.

Duke përdorur strukturën e re CRIT, studiuesit treguan se lëvizja e dritës mund të vonohej dhe të kontrollohej sipas nevojës. Ata gjithashtu demonstruan se ndërhyrja midis modaliteteve të ndritshëm dhe të errët mund të trajtohej si një parametër i vetëm i integruar projektimi.

Kjo qasje zgjeroi ndjeshëm fleksibilitetin e qarqeve fotonike me rezonatorë, të cilat më parë ishin të kufizuara nga dizajnet fikse.

Kontrollimi i vonesës, gjerësisë së brezit dhe formës së sinjalit

Studiuesit demonstruan teorikisht se dy bashkuesit me unazë mund të përdoreshin për të rregulluar gjerësinë e brezit dhe formën e brezit të kalimit të sinjalit. Ata gjithashtu mund të kontrollonin sa gjatë vonoheshin sinjalet dhe sa me efikasitet ato udhëtonin nëpër qark.

Kjo do të thotë se si shpejtësia ashtu edhe sjellja e transmetimit të sinjaleve optike mund të rikonfiguroheshin në sisteme të tëra që përmbajnë shumë rezonatorë, dhe jo vetëm brenda një rezonatori të vetëm.

Simulimet numerike treguan gjithashtu se shpejtësia e pulseve optike mund të rregullohej në mënyrë dinamike ndërsa qarku ishte në funksionim.

Rezultatet treguan se kohët e vonesës së sinjaleve mund të ndryshoheshin pa ulur performancën e përpunimit. Sistemi mund të konvertonte gjithashtu frekuencën e dritës pa kërkuar komponentë shtesë të specializuar.

Puls optik: Një shpërthim i shkurtër drite që përdoret si njësi bazë për transmetimin e informacionit në sistemet e komunikimit optik dhe kompjuterizimit.

Simulimet sugjerojnë se çipi mund të jetë praktik

Studiuesit përdorën simulime elektromagnetike tredimensionale për të testuar nëse pajisja CRIT mund të ndërtohej mbi një platformë qarku të integruar fotonik me nitrid silici (Si₃N₄).

Ata gjithashtu vlerësuan një sërë çështjesh reale që mund të ndikojnë në pajisjen gjatë prodhimit dhe funksionimit. Këto përfshinin humbjet e materialit, ndryshimet në cilësinë e rezonatorëve, shpërndarjen prapa të dritës (backscattering), luhatjet e bashkimit, gabimet e fazës në bashkuesit me unazë dhe ndërthurjen termike (thermal crosstalk).

Simulimet treguan se struktura e propozuar mund të vazhdonte të funksiononte në mënyrë të besueshme edhe në kushte reale.

Qark i integruar fotonik me nitrid silici (Si₃N₄): Një platformë udhëzuese me humbje të ulëta dhe stabilitet të lartë, e përdorur gjerësisht për përpunimin e sinjaleve optike dhe pajisjet fotonike të integruara.

Ndërthurja termike (Thermal crosstalk): Një fenomen ku nxehtësia e krijuar në një pjesë të qarkut ndikon te komponentët fqinjë, duke ndryshuar potencialisht performancën e pajisjes.

Një çip i vetëm mund të kryejë disa funksione optike

Studimi prezanton një platformë fotonike të programueshme që mund të kontrollojë në kohë reale si karakteristikat kohore ashtu edhe ato të frekuencës së sinjaleve të dritës.

Dizajni mund të kapërcejë kufizimet e pajisjeve tradicionale të vonesës optike, të cilat zakonisht kryejnë vetëm funksione fikse. Ai gjithashtu sugjeron se disa aftësi të rëndësishme mund të kombinohen përfundimisht brenda një qarku të vetëm fotonik.

Këto funksione përfshijnë:

- sinkronizimin e sinjaleve,
- linjat e vonesës të rregullueshme,
- tamponët optikë,
- konvertimin e frekuencës.

Të njëjtat parime të projektimit mund të jenë të dobishme edhe përtej sistemeve CRIT. Studiuesit besojnë se kjo qasje mund të aplikohet në një gamë të gjerë qarqesh fotonike të bazuara në rezonatorë, duke siguruar potencialisht një bazë për teknologji më të përshtatshme të përpunimit të sinjaleve optike.

Përfitimet e mundshme për inteligjencën artificiale dhe qendrat e të dhënave

Nëse kjo teknologji komercializohet, një çip i vetëm optik i programueshëm mund të kryejë disa detyra, duke përfshirë kontrollin e shpejtësisë së sinjaleve dhe kalimin midis funksioneve të ndryshme.

Në këtë kuptim, çipi mund të funksionojë në një mënyrë të ngjashme me një sistem të përcaktuar nga softueri, ku sjellja e tij përshtatet sipas nevojave që ndryshojnë.

Ky fleksibilitet mund të ndihmojë qendrat e të dhënave dhe serverët e inteligjencës artificiale të përpunojnë informacionin në mënyrë më efikase duke reduktuar konsumin e energjisë.

Kombinimi i disa funksioneve të përpunimit të sinjaleve në një çip të vetëm mund të bëjë gjithashtu që pajisjet e komunikimit optik dhe sistemet e sensorëve të jenë më të vogla dhe më pak të kushtueshme.

Në afat më të gjatë, kjo teknologji mund të mbështesë industri që varen nga përpunimi jashtëzakonisht i shpejtë shërbejë si pikënisje për zbulimin e funksioneve të reja në qarqet e integruara fotonike. Ne planifikojmë ta zhvillojmë më tej këtë kërkim drejt z i informacionit, përfshirë drejtimin autonom, komunikimet e gjeneratës së ardhshme dhe teknologjitë kuantike.

Studiuesit planifikojnë sisteme fotonike më të mëdha të programueshme

Profesori Namkyoo Park, bashkautor korrespondent i studimit nga Universiteti Kombëtar i Seulit, deklaroi:

"Ky kërkim është i rëndësishëm sepse propozon një parim të ri projektimi që lejon rikonfigurimin sipas nevojës të rrjedhës së dritës brenda qarqeve të integruara fotonike, duke rritur ndjeshëm fleksibilitetin e projektimit. Ne planifikojmë ta zgjerojmë këtë teknologji drejt qarqeve të integruara fotonike të programueshme në shkallë të gjerë, të bazuara në fotonikën e silikonit dhe teknologjitë e inteligjencës artificiale fotonike."

Autorët e parë të përbashkët, doktor Seungkyun Park dhe studenti i doktoraturës Beomjoon Chae, të cilët udhëhoqën kornizën teorike dhe analizën numerike, shtuan:

"Përmes këtij studimi, ne kuptuam se rinterpretimi i fizikës tradicionale të rezonatorëve fotonikë nga një këndvështrim tjetër mund të shërbejë si pikënisje për zbulimin e funksioneve të reja në qarqet e integruara fotonike. Ne planifikojmë ta zhvillojmë më tej këtë kërkim drejt zbatimit praktik të pajisjeve dhe vërtetimit eksperimental."

Dr. Seungkyun Park është i lidhur me Qendrën InnoCORE PICORE në KAIST dhe aktualisht po kryen kërkime mbi inteligjencën artificiale fotonike dhe optikën kuantike në Laboratorin e Sistemeve Fotonike në Universitetin Kombëtar të Seulit.

Studenti i doktoraturës Beomjoon Chae po kryen kërkime mbi qarqet e integruara fotonike të programueshme në Laboratorin e Sistemeve të Valëve Inteligjente në SNU.

Kërkimi mori mbështetje nga Ministria e Shkencës dhe TIK përmes programit Qendra Inovative e Kërkimit (IRC), programit Laboratori i Kërkimeve Bazë (BRL) dhe programit për studiuesit e rinj./ScienceDaily