שבב פוטוני חדש הניתן לתכנות יכול לשלוט באיזו מהירות האור זז

הצוות הובל על ידי הפרופסורים Namkyoo Park ו-Sunkyu Yu מהמחלקה להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטה הלאומית של סיאול, בעבודה עם פרופסור Xianji Piao מבית הספר להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת סיאול.

האטת אור יכולה לעזור בפתרון צוואר בקבוק מחשוב

הצמיחה המהירה של בינה מלאכותית ודגמי בינה מלאכותית בקנה מידה גדול הגדילה בחדות את כמות כוח המחשוב הנדרשת על ידי מרכזי נתונים ושרתים. מוליכים למחצה אלקטרוניים קונבנציונליים נאבקים לעמוד בקצב מכיוון שהם צורכים כמויות גדולות של אנרגיה ועומדים בפני מגבלות במהירות שבה הם יכולים להעביר נתונים.

אתגרים אלה הגבירו את העניין במחשוב אופטי, המשתמש באור ולא באותות חשמליים לעיבוד מידע. מערכות אופטיות עשויות להעביר נתונים במהירויות גבוהות במיוחד תוך שימוש בפחות חשמל.

עם זאת, האור מהווה גם אתגר גדול. מכיוון שהוא נע באופן טבעי במהירות קבועה, קשה לעכב אותות אופטיים או להחזיק אותם באופן זמני במקומם. יכולות אלו חיוניות ליצירת מאגרים ופונקציות זיכרון במחשבים אופטיים.

כדי לטפל בבעיה זו, החוקרים תכננו מעגל פוטוני הניתן לתכנות שיכול לשלוט הן במהירות והן בצורת האותות האופטיים. הגישה שלהם מספקת יותר גמישות על פני "אור איטי" מאשר שיטות שהוצעו בעבר.

המחקר פורסם בכתב העת הבינלאומי הנודע מדע מתקדם.

מדוע אותות אופטיים צריכים לפעמים להמתין

מעגלים משולבים פוטוניים מופיעים כטכנולוגיה מבטיחה לעיבוד מידע מהיר ויעיל עם אור. במרכזי נתונים, רשתות תקשורת אופטיות ומערכות מחשוב עתידיות, הזזת אותות במהירות היא רק חלק מהאתגר.

המערכות חייבות גם לוודא שאותות שונים מגיעים בזמן הנכון. במקרים מסוימים, אות אור חייב להתעכב כדי שיוכל להישאר מסונכרן עם מידע אחר שנע במערכת.

שיטה אחת ליצירת עיכובים אלה מסתמכת על שקיפות המוששרת מהוד מצמד (CRIT), המשתמשת בהפרעות בין מספר מהודים אופטיים.

CRIT מאפשר לאור בטווח תדרים נבחר לעבור במכשיר תוך הפחתת המהירות בה עובר האות האופטי.

• שקיפות המושרה מהדהוד (CRIT): תופעה אופטית שמשדרת ומעכבת אור באופן סלקטיבי בטווח תדרים מסוים באמצעות הפרעות בין מספר מהודים.
• מהוד אופטי: מכשיר פוטוני שמגביל או מפיץ אור בתדר מסוים לתקופה מסוימת; משמש בהשהיית אות, סינון ומודולציה.

התקנים אופטיים קבועים מגבילים את הגמישות

למכשירי CRIT מסורתיים יש בדרך כלל מאפייני פעולה שהופכים קבועים ברגע שהם מיוצרים. זה מקשה לשנות את אופן פעולתם לאחר הייצור.

לדוגמה, מהנדסים שרוצים ליצור עיכוב אות ארוך יותר או לעבוד עם טווח תדרים שונה צריכים לעתים קרובות לתכנן ולייצר מכשיר פוטוני חדש לגמרי.

חוסר הסתגלות זה מגביר את המורכבות של חומרת תקשורת אופטית ותשתית מרכזי נתונים. זה גם יכול להעלות עלויות ולהאריך את לוחות הזמנים של הפיתוח בכל פעם שיש צורך ביכולות חדשות.

הבעיה חשובה במיוחד עבור שרתי AI ומרכזי נתונים מהדור הבא, שבהם יש לעבד כמויות אדירות של מידע בזמן אמת. לכן רכיבים אופטיים קבועים נותרו מכשול עיקרי למערכות מחשוב אופטיות מעשיות יותר.

עיצוב ניתן לתכנות לשליטה באור

צוות המחקר פיתח אסטרטגיה שונה על ידי התייחסות לשני מצבים אופטיים במערכות CRIT, הידועים כמצב בהיר ומצב כהה, כדרגת חופש אחת מאוחדת. החוקרים הוסיפו גם שני מצמדי לולאות ניתנים לשליטה.

יחד, השינויים הללו יצרו עיקרון עיצוב חדש עבור מעגלים משולבים פוטוניים הניתנים לתכנות. סידורי תהודה שהיו נעולים בעבר בתצורה אחת לאחר הייצור יכלו להתאים למטרות שונות.

באמצעות מבנה ה-CRIT החדש, החוקרים הראו שניתן לעכב את תנועת האור ולשלוט לפי הצורך. הם גם הוכיחו שניתן לטפל בהפרעות בין המצבים הבהירים והכהים כפרמטר עיצוב משולב יחיד.

גישה זו הרחיבה מאוד את הגמישות של מעגלי תהודה פוטוניים שבעבר הוגבלו על ידי תכנונים קבועים.

שליטה בהשהייה, רוחב הפס וצורת האות

החוקרים הדגימו באופן תיאורטי שניתן להשתמש בשני מצמדי הלולאה כדי להתאים את רוחב הפס והצורה של פס המעבר. הם יכלו גם לשלוט בכמה זמן עוכבו אותות ובאיזו יעילות האותות הללו עוברים דרך המעגל.

משמעות הדבר היא שניתן להגדיר מחדש גם את המהירות וגם את התנהגות השידור של אותות אופטיים על פני מערכות שלמות המכילות מספר מהודים, ולא רק בתוך מהוד בודד.

סימולציות מספריות גם הראו שניתן להתאים את מהירות הפולסים האופטיים באופן דינמי בזמן שהמעגל פועל.

התוצאות הצביעו על כך שניתן לשנות את זמני השהיית האות מבלי להפחית את ביצועי העיבוד. המערכת יכולה גם להמיר את תדירות האור מבלי להזדקק לרכיבים מיוחדים נוספים.

• דופק אופטי: פרץ אור קצר המשמש כיחידה בסיסית להעברת מידע במערכות תקשורת ומחשוב אופטיות.

סימולציות מצביעות על כך שהשבב יכול להיות מעשי

החוקרים השתמשו בסימולציות אלקטרומגנטיות תלת מימדיות כדי לבדוק האם ניתן לבנות את מכשיר ה-CRIT על סיליקון ניטריד (Si)₃נ₄) פלטפורמת מעגלים משולבים פוטוניים.

הם גם העריכו מגוון בעיות בעולם האמיתי שעלולות להשפיע על המכשיר במהלך הייצור והתפעול. אלה כללו הפסדי חומרים, הבדלים באיכות מהוד, פיזור לאחור, תנודות צימוד, שגיאות פאזה במצמדי הלולאה והצלבה תרמית.

ההדמיות הצביעו על כך שהמבנה המוצע יוכל להמשיך לפעול בצורה מהימנה בתנאים מציאותיים.

• סיליקון ניטריד (Si₃נ₄) מעגל משולב פוטוני: פלטפורמת מולי גלים בעלת אובדן נמוך ויציבה ביותר בשימוש נרחב לעיבוד אותות אופטיים והתקנים פוטוניים משולבים.
• הצלבה תרמית: תופעה שבה חום שנוצר בחלק אחד של המעגל משפיע על רכיבים שכנים, ועלול לשנות את ביצועי המכשיר.

שבב אחד יכול לבצע מספר פונקציות אופטיות

המחקר מציג פלטפורמה פוטונית הניתנת לתכנות שיכולה לשלוט הן בתזמון ותדירות של אותות אור בזמן אמת.

העיצוב יכול להתגבר על המגבלות של התקני השהיה אופטיים קונבנציונליים, שבדרך כלל מבצעים רק פונקציות קבועות. זה גם מציע שאפשר לשלב כמה יכולות חשובות בסופו של דבר בתוך מעגל פוטוני אחד.

פונקציות אלו כוללות סנכרון אות, קווי השהיה מתכווננים, חוצצים אופטיים והמרת תדר.

אותם עקרונות עיצוב עשויים להיות שימושיים גם מעבר למערכות CRIT. החוקרים מאמינים שניתן ליישם את הגישה על מגוון רחב של מעגלים פוטוניים המבוססים על מהודים, מה שעלול לספק בסיס לטכנולוגיות עיבוד אותות אופטיות ניתנות להתאמה.

יתרונות פוטנציאליים עבור AI ומרכזי נתונים

אם הטכנולוגיה ממוסחרת, שבב אופטי יחיד הניתן לתכנות יכול לבצע מספר משימות, כולל שליטה במהירות האות ומעבר בין פונקציות שונות.

במובן זה, השבב יכול לפעול באופן דומה למערכת מוגדרת תוכנה, כשההתנהגות שלו מותאמת בהתאם לצרכים המשתנים.

גמישות זו יכולה לעזור למרכזי נתונים ושרתי AI לעבד מידע בצורה יעילה יותר תוך הפחתת צריכת האנרגיה.

שילוב של מספר פונקציות עיבוד אותות בשבב אחד יכול גם להפוך את ציוד התקשורת האופטי ומערכות החיישנים לקטנות יותר ולפחות יקרות.

בטווח הארוך יותר, הטכנולוגיה תוכל לתמוך בתעשיות התלויות בעיבוד מידע מהיר במיוחד, כולל נהיגה אוטונומית, תקשורת מהדור הבא וטכנולוגיות קוונטיות.

חוקרים מתכננים מערכות פוטוניות גדולות יותר הניתנות לתכנות

פרופסור Namkyoo Park, מחבר שותף למחקר מהאוניברסיטה הלאומית של סיאול, קבע, "מחקר זה משמעותי בכך שהוא מציע עיקרון עיצוב חדש המאפשר להגדיר מחדש את זרימת האור בתוך מעגלים משולבים פוטוניים לפי הצורך, מה שמגביר מאוד את גמישות התכנון. אנו מתכננים להרחיב את הטכנולוגיה הזו לעבר מעגלים משולבים פוטוניים ניתנים לתכנות בקנה מידה גדול המבוסס על טכנולוגיות צילום פוטוני של סיליקון."

מחברים ראשונים ד"ר Seungkyun Park ודוקטורט. הסטודנט Beomjoon Chae, שהוביל את המסגרת התיאורטית והניתוח המספרי, הוסיף: "באמצעות מחקר זה, הבנו שפירוש מחדש של פיזיקת התהודה הפוטונית הקונבנציונלית מנקודת מבט שונה יכולה לשמש נקודת מוצא לגילוי פונקציונליות חדשה במעגלים משולבים פוטוניים. אנו מתכננים להמשיך ולפתח את המחקר הזה לקראת הטמעת מכשירים מעשיים ואימות ניסיוני".

פארק ד"ר Seungkyun מזוהה עם מרכז InnoCORE PICORE ב-KAIST וכיום הוא עורך מחקר על AI פוטוניים ואופטיקה קוונטית במעבדת המערכות הפוטוניות, האוניברסיטה הלאומית של סיאול.

Ph.D. הסטודנט Beomjoon Chae עורך מחקר על מעגלים משולבים פוטוניים ניתנים לתכנות במעבדת מערכות גל אינטליגנטי, SNU.

המחקר קיבל תמיכה ממשרד המדע והתקשוב באמצעות תכנית מרכז המחקר החדשני (IRC), תכנית מעבדת המחקר הבסיסית (BRL) ותכנית חוקרים צעירים.

גם ד"ר Seungkyun Park השתתף במחקר בתמיכת תוכנית InnoCORE (מרכז PICORE).