Chip fotonici hanno rivoluzionato le tecnologie ad alto contenuto di dati. Da soli o insieme ai circuiti elettronici tradizionali, questi dispositivi alimentati da laser inviano ed elaborano informazioni alla velocità della luce, rendendoli una soluzione promettente per le applicazioni affamate di dati dell’intelligenza artificiale.
La luce crea una rete computazionale su un pezzo di wafer semiconduttore non modellato. Il risultato del team di Feng Lab consente l’elaborazione su chip senza incisione litografica, segnalando una produzione più economica e più semplice e una precisione superiore per le applicazioni AI. Credito immagine: Penn Engineering
Oltre alla loro incomparabile velocità, i circuiti fotonici utilizzano molta meno energia di quelli elettronici. Gli elettroni si muovono relativamente lentamente attraverso l’hardware, scontrandosi con altre particelle e generando calore, mentre i fotoni fluiscono senza perdere energia, non generando alcun calore.
Alleggerita dalla perdita di energia insita nell’elettronica, la fotonica integrata è pronta a svolgere un ruolo di primo piano nell’informatica sostenibile.
La fotonica e l’elettronica attingono ad aree scientifiche separate e utilizzano strutture architettoniche distinte. Entrambi si affidano alla litografia per definire i loro elementi circuitali e collegarli in sequenza.
Fili in fibra ottica – foto illustrativa. Credito immagine: Denny Müller tramite Unsplash, licenza gratuita
Sebbene i chip fotonici non utilizzino i transistor che popolano i solchi sempre più ristretti e stratificati dei chip elettronici, il loro complesso schema litografico guida i raggi laser attraverso un circuito coerente per formare una rete fotonica in grado di eseguire algoritmi computazionali.
Ma ora, per la prima volta, i ricercatori del Scuola di ingegneria e scienze applicate dell’Università della Pennsylvania hanno creato un dispositivo fotonico che fornisce un’elaborazione delle informazioni su chip programmabile senza litografia, offrendo la velocità della fotonica aumentata da una precisione e flessibilità superiori per le applicazioni AI.
Raggiungendo un controllo della luce senza precedenti, questo dispositivo è costituito da guadagno e perdita ottica distribuiti spazialmente. I laser emettono luce direttamente su un wafer semiconduttore, senza la necessità di percorsi litografici definiti.
Liang FengProfessore nel Dipartimenti di Scienza dei Materiali e Ingegneria (MSE) e Sistemi elettrici e ingegneria (ESE), insieme al dottorato di ricerca. lo studente Tianwei Wu (MSE) e i borsisti postdottorato Zihe Gao e Marco Menarini (ESE), hanno introdotto il microchip in un recente studio pubblicato su Fotonica della natura.
I sistemi elettronici basati sul silicio hanno trasformato il panorama computazionale. Ma hanno chiari limiti: sono lenti nell’elaborare il segnale, lavorano attraverso i dati in serie e non in parallelo, e possono essere miniaturizzati solo fino a un certo punto.
La fotonica è una delle alternative più promettenti perché può superare tutte queste carenze.
“Ma i chip fotonici destinati alle applicazioni di apprendimento automatico devono affrontare gli ostacoli di un intricato processo di fabbricazione in cui il modello litografico è fisso, limitato nella riprogrammabilità, soggetto a errori o danni e costoso”, afferma Feng.
“Eliminando la necessità della litografia, stiamo creando un nuovo paradigma. Il nostro chip supera questi ostacoli e offre una maggiore precisione e la massima riconfigurabilità data l’eliminazione di tutti i tipi di vincoli dalle funzionalità predefinite.
Senza litografia, questi chip diventano potenti centrali di elaborazione dati adattabili. Poiché i modelli non sono predefiniti e incisi, il dispositivo è intrinsecamente privo di difetti.
Forse in modo più impressionante, la mancanza di litografia rende il microchip riprogrammabile, in grado di adattare i suoi modelli di fusione laser per prestazioni ottimali, sia che il compito sia semplice (pochi input, piccoli set di dati) o complesso (molti input, grandi set di dati).
In altre parole, la complessità o il minimalismo del dispositivo è una sorta di essere vivente, adattabile in modi in cui nessun microchip inciso potrebbe essere.
“Quello che abbiamo qui è qualcosa di incredibilmente semplice”, dice Wu. “Possiamo costruirlo e usarlo molto velocemente. Possiamo integrarlo facilmente con l’elettronica classica. E possiamo riprogrammarlo, cambiando i modelli laser al volo per ottenere un calcolo riconfigurabile in tempo reale per l’addestramento su chip di una rete AI.
Una lastra di semiconduttore senza pretese, il dispositivo non potrebbe essere più semplice. È la manipolazione delle proprietà del materiale di questa lastra che è la chiave della svolta del team di ricerca nel proiettare i laser in schemi programmabili dinamicamente per riconfigurare le funzioni di calcolo del processore di informazioni fotonico.
Questa riconfigurabilità definitiva è fondamentale per l’apprendimento automatico e l’intelligenza artificiale in tempo reale.
“La parte interessante”, dice Menarini, “è come controlliamo la luce. I chip fotonici convenzionali sono tecnologie basate su materiale passivo, il che significa che il suo materiale diffonde la luce, facendola rimbalzare avanti e indietro. Il nostro materiale è attivo. Il raggio di luce pompante modifica il materiale in modo tale che quando arriva il raggio del segnale, può rilasciare energia e aumentare l’ampiezza dei segnali.
«Questa natura attiva è la chiave di questa scienza e la soluzione necessaria per ottenere la nostra tecnologia senza litografia», aggiunge Gao. “Possiamo usarlo per reindirizzare i segnali ottici e programmare l’elaborazione delle informazioni ottiche su chip.”
Feng paragona la tecnologia a uno strumento artistico, una penna per disegnare immagini su una pagina bianca.
“Quello che abbiamo ottenuto è esattamente lo stesso: pompare la luce è la nostra penna per disegnare la rete computazionale fotonica (l’immagine) su un pezzo di wafer semiconduttore non modellato (la pagina bianca).”
Ma a differenza delle indelebili linee di inchiostro, questi raggi di luce possono essere disegnati e ridisegnati, i loro schemi tracciano innumerevoli percorsi verso il futuro.
Fonte: Università della Pennsylvania
Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
