Το νέο προγραμματιζόμενο φωτονικό τσιπ μπορεί να ελέγχει πόσο γρήγορα ταξιδεύει το φως

Επικεφαλής της ομάδας ήταν ο Namkyo Park, καθηγητής στο Τμήμα Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ, και ο Sankyu Yu, συνεργαζόμενος με τον Jianzhi Piao, καθηγητή στη Σχολή Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ.

Το αργό φως μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση ενός υπολογιστικού συμφόρησης

Η ταχεία ανάπτυξη των μοντέλων τεχνητής νοημοσύνης και τεχνητής νοημοσύνης μεγάλης κλίμακας έχει αυξήσει ραγδαία την ποσότητα της υπολογιστικής ισχύος που απαιτείται για τα κέντρα δεδομένων και τους διακομιστές. Οι συμβατικοί ηλεκτρονικοί ημιαγωγοί δυσκολεύονται να συμβαδίσουν επειδή καταναλώνουν μεγάλες ποσότητες ενέργειας και αντιμετωπίζουν περιορισμούς στο πόσο γρήγορα μπορούν να μεταδώσουν δεδομένα.

Αυτές οι προκλήσεις έχουν εντείνει το ενδιαφέρον για τους οπτικούς υπολογιστές, οι οποίοι χρησιμοποιούν φως και όχι ηλεκτρικά σήματα για την επεξεργασία πληροφοριών. Τα οπτικά συστήματα μπορούν δυνητικά να μεταφέρουν δεδομένα σε εξαιρετικά υψηλές ταχύτητες ενώ καταναλώνουν λιγότερη ενέργεια.

Ωστόσο, ο φωτισμός αποτελεί σημαντική πρόκληση. Επειδή κινείται φυσικά με σταθερή ταχύτητα, είναι δύσκολο να καθυστερήσετε τα οπτικά σήματα ή να τα κρατήσετε προσωρινά στη θέση τους. Αυτές οι δυνατότητες είναι απαραίτητες για τη δημιουργία λειτουργιών buffer και μνήμης σε οπτικούς υπολογιστές.

Για να λύσουν αυτό το πρόβλημα, οι ερευνητές σχεδίασαν ένα προγραμματιζόμενο φωτονικό κύκλωμα που μπορεί να ελέγχει τόσο την ταχύτητα όσο και το σχήμα του οπτικού σήματος. Η προσέγγισή τους παρέχει μεγαλύτερη ευελιξία στο “αργό φως” από τις προηγούμενες προσεγγίσεις.

Η έρευνα έχει δημοσιευτεί σε έγκριτα διεθνή περιοδικά προηγμένη επιστήμη.

Γιατί τα οπτικά σήματα πρέπει μερικές φορές να περιμένουν;

Τα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα αναδεικνύονται ως μια πολλά υποσχόμενη τεχνολογία για γρήγορη και αποτελεσματική επεξεργασία πληροφοριών με φως. Στα κέντρα δεδομένων, στα δίκτυα οπτικών επικοινωνιών και στα μελλοντικά υπολογιστικά συστήματα, η ταχύτερη κίνηση των σημάτων είναι μόνο ένα μέρος της πρόκλησης.

Τα συστήματα πρέπει να διασφαλίζουν ότι τα διάφορα σήματα φτάνουν τη σωστή ώρα. Σε ορισμένες περιπτώσεις, ένα φωτεινό σήμα πρέπει να καθυστερήσει, ώστε να μπορεί να παραμείνει συγχρονισμένο με άλλες πληροφορίες που διακινούνται μέσω του συστήματος.

Μια μέθοδος δημιουργίας αυτών των καθυστερήσεων βασίζεται στη διαφάνεια που προκαλείται από συζευγμένο συντονιστή (CRIT), η οποία χρησιμοποιεί παρεμβολές μεταξύ πολλών οπτικών συντονιστών.

Το CRIT επιτρέπει στο φως να περάσει μέσα από μια συσκευή εντός ενός επιλεγμένου εύρους συχνοτήτων και μειώνει την ταχύτητα με την οποία ταξιδεύουν τα οπτικά σήματα.

• Διαφάνεια που προκαλείται από συζευγμένο συντονιστή (CRIT): Ένα οπτικό φαινόμενο που εκπέμπει επιλεκτικά και καθυστερεί το φως μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος συχνοτήτων μέσω παρεμβολών μεταξύ πολλαπλών συντονιστών.
• Οπτικό Αντηχείο: Μια φωτονική συσκευή που περιορίζει ή εκπέμπει φως συγκεκριμένης συχνότητας για μια συγκεκριμένη χρονική περίοδο. Χρησιμοποιείται σε καθυστέρηση σήματος, φιλτράρισμα και διαμόρφωση.

Οι σταθερές οπτικές συσκευές έχουν περιορισμένη ευελιξία

Οι παραδοσιακές συσκευές CRIT έχουν τυπικά χαρακτηριστικά λειτουργίας που διορθώνονται μόλις κατασκευαστούν. Αυτό καθιστά δύσκολη την αλλαγή του τρόπου λειτουργίας τους μόλις δημιουργηθούν.

Για παράδειγμα, οι μηχανικοί που θέλουν να δημιουργήσουν μεγαλύτερη καθυστέρηση σήματος ή να εργαστούν με διαφορετικό εύρος συχνοτήτων πρέπει συχνά να σχεδιάσουν και να κατασκευάσουν μια εντελώς νέα φωτονική συσκευή.

Η έλλειψη προσαρμοστικότητας αυξάνει την πολυπλοκότητα του υλικού οπτικών επικοινωνιών και της υποδομής κέντρων δεδομένων. Αυτό μπορεί να αυξήσει το κόστος και να επεκτείνει το χρονοδιάγραμμα ανάπτυξης όποτε χρειάζονται νέες δυνατότητες.

Το πρόβλημα είναι ιδιαίτερα σημαντικό για διακομιστές τεχνητής νοημοσύνης και κέντρα δεδομένων επόμενης γενιάς, όπου μεγάλος όγκος δεδομένων πρέπει να υποβάλλεται σε επεξεργασία σε πραγματικό χρόνο. Επομένως, τα σταθερά οπτικά εξαρτήματα παραμένουν ένα σημαντικό εμπόδιο για πιο πρακτικά συστήματα οπτικών υπολογιστών.

Προγραμματιζόμενος σχεδιασμός για έλεγχο φωτισμού

Η ερευνητική ομάδα ανέπτυξε μια διαφορετική τεχνική αντιμετωπίζοντας τις δύο οπτικές καταστάσεις στο σύστημα CRIT, γνωστές ως φωτεινή και σκοτεινή λειτουργία, ως ενοποιημένους βαθμούς ελευθερίας. Οι ερευνητές πρόσθεσαν επίσης δύο ελεγχόμενους ζεύκτες βρόχου.

Μαζί, αυτές οι αλλαγές δημιούργησαν μια νέα αρχή σχεδιασμού για προγραμματιζόμενα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Οι ρυθμίσεις αντηχείων που προηγουμένως ήταν κλειδωμένες σε μία διαμόρφωση μετά την κατασκευή μπορούν να προσαρμοστούν για διαφορετικούς σκοπούς.

Χρησιμοποιώντας τη νέα δομή CRIT, οι ερευνητές απέδειξαν ότι η κίνηση του φωτός μπορεί να καθυστερήσει και να ελεγχθεί ανάλογα με τις ανάγκες. Έδειξαν επίσης ότι η παρεμβολή μεταξύ φωτεινών και σκοτεινών λειτουργιών μπορεί να χειριστεί ως μια ενιαία ενσωματωμένη παράμετρος σχεδίασης.

Αυτή η προσέγγιση επέκτεινε πολύ την ευελιξία των κυκλωμάτων φωτονικών συντονιστών που προηγουμένως περιορίζονταν από σταθερά σχέδια.

Ελέγξτε την καθυστέρηση, το εύρος ζώνης και το μέγεθος του σήματος

Οι ερευνητές έχουν δείξει θεωρητικά ότι δύο ζεύκτες βρόχου μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να προσαρμόσουν το εύρος ζώνης και το σχήμα της ζώνης διέλευσης. Μπορούσαν επίσης να ελέγξουν πόσο καιρό καθυστερούσαν τα σήματα και πόσο αποτελεσματικά αυτά τα σήματα ταξίδευαν μέσω του κυκλώματος.

Αυτό σημαίνει ότι τόσο η ταχύτητα όσο και η συμπεριφορά μετάδοσης του οπτικού σήματος μπορούν να διαμορφωθούν εκ νέου σε όλο το σύστημα που αποτελείται από πολλαπλούς συντονιστές και όχι μόνο μέσα σε ένα μόνο αντηχείο.

Οι αριθμητικές προσομοιώσεις δείχνουν επίσης ότι η ταχύτητα του οπτικού παλμού μπορεί να ρυθμιστεί δυναμικά ενώ το κύκλωμα λειτουργεί.

Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι χρόνοι καθυστέρησης σήματος μπορούν να αλλάξουν χωρίς να υποβαθμιστεί η απόδοση επεξεργασίας. Το σύστημα μπορεί να μετατρέψει συχνότητες φωτός χωρίς την ανάγκη πρόσθετων εξειδικευμένων εξαρτημάτων.

• Οπτικός παλμός: Μια σύντομη έκρηξη φωτός χρησιμοποιείται ως βασική μονάδα για τη μετάδοση πληροφοριών σε οπτικές επικοινωνίες και συστήματα υπολογιστών.

Τα τσιπ προσομοίωσης μπορεί να είναι πρακτικές συστάσεις

Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν νιτρίδιο πυριτίου (Si₃Ν₄) φωτονική πλατφόρμα ολοκληρωμένου κυκλώματος.

Αξιολόγησαν επίσης μια σειρά πραγματικών ζητημάτων που θα μπορούσαν να επηρεάσουν τη συσκευή κατά την κατασκευή και τη λειτουργία. Αυτές περιελάμβαναν απώλειες υλικού, διαφορές ποιότητας αντηχείου, οπισθοσκέδαση, διακυμάνσεις σύζευξης, σφάλματα φάσης σύζευξης βρόχου και θερμική αλληλεπίδραση.

Οι προσομοιώσεις δείχνουν ότι η προτεινόμενη δομή μπορεί να συνεχίσει να λειτουργεί αξιόπιστα υπό ρεαλιστικές συνθήκες.

• Νιτρίδιο πυριτίου (Si₃Ν₄) Φωτονικό Ολοκληρωμένο Κύκλωμα: Μια πλατφόρμα κυματοδηγού χαμηλών απωλειών και υψηλής σταθερότητας που χρησιμοποιείται ευρέως για επεξεργασία οπτικού σήματος και ενσωματωμένες φωτονικές συσκευές.
• Θερμική διασταύρωση: Ένα φαινόμενο κατά το οποίο παράγεται θερμότητα σε ένα μέρος ενός κυκλώματος επηρεάζει γειτονικά εξαρτήματα, αλλάζοντας ενδεχομένως την απόδοση της συσκευής.

Ένα τσιπ μπορεί να εκτελέσει πολλές οπτικές λειτουργίες

Η μελέτη εισάγει μια προγραμματιζόμενη φωτονική πλατφόρμα που μπορεί να ελέγχει τόσο τα χαρακτηριστικά χρονισμού όσο και συχνότητας των φωτεινών σημάτων σε πραγματικό χρόνο.

Ο σχεδιασμός μπορεί να ξεπεράσει τους περιορισμούς των συμβατικών συσκευών οπτικής καθυστέρησης, οι οποίες συνήθως εκτελούν μόνο συγκεκριμένες λειτουργίες. Υποδηλώνει επίσης ότι πολλές σημαντικές δυνατότητες μπορεί τελικά να ενσωματωθούν σε ένα μόνο φωτονικό κύκλωμα.

Αυτές οι λειτουργίες περιλαμβάνουν συγχρονισμό σήματος, ρυθμιζόμενες γραμμές καθυστέρησης, οπτικά buffer και μετατροπή συχνότητας.

Οι ίδιες αρχές σχεδιασμού ενδέχεται να ισχύουν εκτός του συστήματος CRIT. Οι ερευνητές πιστεύουν ότι η μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί σε ένα ευρύ φάσμα φωτονικών κυκλωμάτων που βασίζονται σε συντονιστές, παρέχοντας δυνητικά τη βάση για πιο προσαρμοστικές τεχνολογίες επεξεργασίας οπτικού σήματος.

Πιθανά οφέλη για την τεχνητή νοημοσύνη και τα κέντρα δεδομένων

Εάν η τεχνολογία διατεθεί στο εμπόριο, ένα μόνο προγραμματιζόμενο οπτικό τσιπ μπορεί να εκτελέσει πολλές εργασίες, συμπεριλαμβανομένου του ελέγχου της ταχύτητας του σήματος και της εναλλαγής μεταξύ διαφορετικών λειτουργιών.

Υπό αυτή την έννοια, το τσιπ μπορεί να λειτουργεί σαν ένα σύστημα που καθορίζεται από το λογισμικό, με τη συμπεριφορά του να προσαρμόζεται καθώς αλλάζουν οι ανάγκες.

Αυτή η ευελιξία μπορεί να βοηθήσει τα κέντρα δεδομένων και τους διακομιστές AI να επεξεργάζονται δεδομένα πιο αποτελεσματικά μειώνοντας την κατανάλωση ενέργειας.

Ο συνδυασμός πολλαπλών λειτουργιών επεξεργασίας σήματος σε ένα μόνο τσιπ μπορεί να κάνει τον εξοπλισμό οπτικής επικοινωνίας και τα συστήματα αισθητήρων μικρότερους και λιγότερο δαπανηρούς.

Μακροπρόθεσμα, η τεχνολογία θα μπορούσε να υποστηρίξει βιομηχανίες που βασίζονται στην εξαιρετικά γρήγορη επεξεργασία δεδομένων, συμπεριλαμβανομένης της αυτόνομης οδήγησης, των επικοινωνιών επόμενης γενιάς και της κβαντικής τεχνολογίας.

Οι ερευνητές σχεδιάζουν μεγαλύτερα προγραμματιζόμενα φωτονικά συστήματα

Ο συν-συγγραφέας της μελέτης, καθηγητής Namkyo Park από το Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σεούλ, δήλωσε: “Αυτή η έρευνα είναι αξιοσημείωτη στο ότι προτείνει μια νέα αρχή σχεδίασης που επιτρέπει την αναδιαμόρφωση της ροής φωτός εντός φωτονικών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων όπως απαιτείται, αυξάνοντας σημαντικά την ευελιξία σχεδιασμού. Σκοπεύουμε να επεκτείνουμε αυτήν την τεχνολογία για να επεκτείνουμε τη ροή φωτός σε μεγάλης κλίμακας και επιλεκτικά κυκλώματα με βάση την τεχνολογία φωτονικών κυκλωμάτων.”

Ο συν-πρώτος συγγραφέας Dr. Seungkyun Park και ο διδακτορικός φοιτητής Beomjun Chae, ο οποίος ηγήθηκε του θεωρητικού πλαισίου και της αριθμητικής ανάλυσης, πρόσθεσε: “Μέσω αυτής της έρευνας, συνειδητοποιήσαμε ότι η επανερμηνεία της συμβατικής φυσικής φωτονικού συντονισμού από διαφορετική οπτική γωνία μπορεί να χρησιμεύσει ως αφετηρία για την ανακάλυψη νέων λειτουργιών σε φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα.”

Ο Δρ. Seungkyun Park είναι συνδεδεμένος με το InnoCORE PICORE Center στο KAIST και αυτή τη στιγμή διεξάγει έρευνα για τη φωτονική τεχνητή νοημοσύνη και την κβαντική οπτική στο Εργαστήριο Φωτονικών Συστημάτων του Εθνικού Πανεπιστημίου της Σεούλ.

Ph.D. Ο φοιτητής Beomjoon Chae ερευνά προγραμματιζόμενα φωτονικά ολοκληρωμένα κυκλώματα στο Εργαστήριο Ευφυών Κυμάτων Συστημάτων, SNU.

Η έρευνα έλαβε υποστήριξη από το Υπουργείο Επιστημών και ΤΠΕ μέσω του Προγράμματος Καινοτόμου Ερευνητικού Κέντρου (IRC), του Προγράμματος Βασικού Εργαστηρίου Ερευνών (BRL) και του Προγράμματος Νέων Ερευνητών.

Ο Δρ. Seungkyun Park συμμετείχε επίσης σε αυτή τη μελέτη με την υποστήριξη του προγράμματος Inocor (Κέντρο Picor).