Çipi fotonik i programueshëm mund të rregullojë shpejtësinë e lëvizjes së dritës

Një çip optik i programueshëm, i krijuar nga shkencëtarët, mund të ngadalësojë dritën me komandë dhe t’u mundësojë inxhinierëve të kontrollojnë më saktë përhapjen e sinjaleve optike në një qark. Kjo teknologji mund të ofrojë vonesën, sinkronizimin dhe ruajtjen e përkohshme të sinjaleve që nevojiten për ta bërë më praktik kompjuterizimin e bazuar te drita. Në të ardhmen, një çip i vetëm mund të marrë përsipër disa procese që sot kërkojnë pajisje të veçanta, duke pakësuar potencialisht konsumin e energjisë, kostot dhe ndërlikimin e serverëve të inteligjencës artificiale dhe qendrave të të dhënave.

Studiues nga Universiteti Kombëtar i Seulit dhe Universiteti i Seulit kanë ndërtuar një qark të integruar fotonik të programueshëm, i cili mund ta ulë shpejtësinë e dritës sa herë që kërkohet.

Puna u drejtua nga profesorët Namkyoo Park dhe Sunkyu Yu, pjesë e Departamentit të 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.

Diagrami konceptual i qarkut të integruar fotonik CRIT të programueshëm ilustron ndryshimet që pësojnë pulset optike në vonesën kohore dhe në karakteristikat e frekuencës gjatë përhapjes së tyre në qark. Krediti: Kolegji i Inxhinierisë i Universitetit Kombëtar të Seulit.

Ngadalësimi i dritës mund të lehtësojë pengesat e kompjuterizimit

Zgjerimi i shpejtë i inteligjencës artificiale gjeneruese dhe i modeleve të mëdha të inteligjencës artificiale ka shtuar ndjeshëm kërkesën për fuqi kompjuterike në serverë dhe qendra të të dhënave. Gjysmëpërçuesit elektronikë konvencionalë po e kanë gjithnjë e më të vështirë të përballojnë këtë ritëm, pasi harxhojnë shumë energji dhe kufizohen nga shpejtësia e transmetimit të të dhënave.

Përballë këtyre vështirësive është rritur vëmendja ndaj kompjuterizimit optik, ku informacioni përpunohet me dritë dhe jo me sinjale elektrike. Sisteme të tilla mund të dërgojnë të dhëna me shpejtësi jashtëzakonisht të mëdha, duke kërkuar njëkohësisht më pak energji.

Megjithatë, vetë drita sjell një pengesë të rëndësishme. Meqë lëviz natyrshëm me një shpejtësi të përcaktuar, sinjalet optike është e vështirë të vonohen ose të mbahen përkohësisht në një pikë. Pa këto mundësi, krijimi i funksioneve të memories dhe tamponimit në kompjuterët optikë bëhet problematik.

Si përgjigje ndaj kësaj sfide, ekipi projektoi një qark fotonik të programueshëm që mund të rregullojë njëkohësisht shpejtësinë dhe formën e sinjaleve optike. Krahasuar me zgjidhjet e propozuara më herët, metoda e tyre ofron më shumë fleksibilitet në kontrollin e “dritës së ngadaltë”.

Pse nevojitet vonesa e sinjaleve optike

Qarqet e integruara fotonike po konsiderohen një alternativë premtuese për përpunimin e shpejtë dhe me efikasitet të lartë të informacionit përmes dritës. Por në qendrat e të dhënave, rrjetet e komunikimit optik dhe sistemet kompjuterike të së ardhmes, shpejtësia e sinjaleve përbën vetëm një pjesë të problemit.

Është po aq e domosdoshme që sinjale të ndryshme të mbërrijnë në momentin e duhur. Në rrethana të caktuara, një sinjal drite duhet të mbahet për pak kohë, në mënyrë që të sinkronizohet me informacionet e tjera që qarkullojnë në sistem.

Një nga teknikat për realizimin e kësaj vonese është transparenca e shkaktuar nga rezonatorët e çiftuar, e njohur si CRIT, e cila mbështetet tek ndërhyrja ndërmjet disa rezonatorëve optikë.

Përmes CRIT, drita në një brez të përzgjedhur frekuencash mund të kalojë nëpër pajisje, ndërkohë që shpejtësia e udhëtimit të sinjalit optik zvogëlohet.

Transparenca e shkaktuar nga rezonatorët e çiftuar, ose CRIT, është një dukuri optike që, përmes ndërhyrjes mes shumë rezonatorëve, transmeton në mënyrë selektive dritën brenda një diapazoni të caktuar frekuencash dhe njëkohësisht e vonon atë.

Rezonatori optik është një pajisje fotonike që mban të kufizuar ose në qarkullim, për një periudhë të caktuar, dritën me një frekuencë të veçantë. Ai përdoret për filtrimin, modulimin dhe vonesën e sinjaleve.

Mungesa e fleksibilitetit te pajisjet optike fikse

Në pajisjet tradicionale CRIT, parametrat e funksionimit zakonisht përcaktohen gjatë prodhimit dhe nuk mund të ndryshohen më pas. Si rrjedhojë, mënyra e punës së tyre është e vështirë të përshtatet pas fabrikimit.

Nëse inxhinierëve u duhet, për shembull, një vonesë më e gjatë e sinjalit ose funksionim në një brez tjetër frekuencash, ata shpesh detyrohen të projektojnë dhe të prodhojnë nga e para një pajisje tjetër fotonike.

Kjo pamundësi përshtatjeje e bën më komplekse infrastrukturën e qendrave të të dhënave dhe pajisjet e komunikimit optik. Sa herë që kërkohen aftësi të reja, mund të rriten gjithashtu kostot dhe koha e nevojshme për zhvillim.

Vështirësia bëhet veçanërisht e ndjeshme në serverët e inteligjencës artificiale dhe qendrat e të dhënave të gjeneratës së ardhshme, ku vëllime të mëdha informacioni duhet të përpunohen në kohë reale. Për këtë arsye, komponentët optikë me funksione të pandryshueshme vazhdojnë të jenë një nga pengesat kryesore për zbatimin praktik të kompjuterizimit optik.

Një arkitekturë e programueshme për drejtimin e dritës

Ekipi ndoqi një rrugë tjetër, duke i bashkuar në një shkallë të vetme lirie dy gjendjet optike të sistemeve CRIT: modalitetin e ndritshëm, ose bright mode, dhe modalitetin e errët, ose dark mode. Në arkitekturë u përfshinë gjithashtu dy bashkues me unazë që mund të kontrollohen.

Kombinimi i këtyre elementeve solli një parim të ri projektimi për qarqet e integruara fotonike të programueshme. Konfigurimet e rezonatorëve, të cilat më parë mbeteshin të pandryshuara pas prodhimit, tashmë mund të rregullohen për përdorime të ndryshme.

Me strukturën e re CRIT, studiuesit provuan se lëvizja e dritës mund të kontrollohet dhe të vonohet sipas kërkesës. Ata treguan gjithashtu se ndërhyrja ndërmjet modalitetit të ndritshëm dhe atij të errët mund të përdoret si një parametër i vetëm dhe i integruar në projektim.

Në këtë mënyrë u zgjerua ndjeshëm aftësia e përshtatjes së qarqeve fotonike me rezonatorë, të cilat deri tani kufizoheshin nga arkitekturat fikse.

Rregullimi i vonesës, gjerësisë së brezit dhe formës së sinjalit

Në nivel teorik, studiuesit dëshmuan se dy bashkuesit me unazë mund të shërbejnë për ndryshimin e gjerësisë së brezit dhe të formës së brezit të kalimit të sinjalit. Përmes tyre mund të përcaktohet edhe kohëzgjatja e vonesës së sinjaleve, si dhe efikasiteti me të cilin ato përshkojnë qarkun.

Kjo nënkupton se sjellja e transmetimit dhe shpejtësia e sinjaleve optike mund të rikonfigurohen në sisteme të plota me shumë rezonatorë, në vend që kontrolli të kufizohet vetëm te një rezonator.

Edhe simulimet numerike treguan se shpejtësia e pulseve optike mund të ndryshohet në mënyrë dinamike gjatë kohës që qarku vazhdon të punojë.

Sipas rezultateve, koha e vonesës së sinjaleve mund të modifikohet pa cenuar performancën e përpunimit. Për më tepër, sistemi është në gjendje të konvertojë frekuencën e dritës pa pasur nevojë për komponentë të tjerë të specializuar.

Pulsi optik është një shpërthim i shkurtër drite që shërben si njësia bazë e transmetimit të informacionit në komunikimet optike dhe në sistemet kompjuterike.

Simulimet tregojnë mundësinë e zbatimit praktik

Për të verifikuar nëse pajisja CRIT mund të realizohej mbi një platformë qarku të integruar fotonik me nitrid silici, Si₃N₄, ekipi përdori simulime elektromagnetike tredimensionale.

Në analizë u morën parasysh edhe disa probleme praktike që mund të shfaqen gjatë prodhimit dhe përdorimit. Mes tyre ishin humbjet e materialit, ndryshimet në cilësinë e rezonatorëve, shpërndarja prapa e dritës, ose backscattering, luhatjet e bashkimit, gabimet e fazës në bashkuesit me unazë dhe ndërthurja termike, ose thermal crosstalk.

Rezultatet e simulimeve treguan se struktura e propozuar mund të ruajë funksionimin e besueshëm edhe në rrethana reale.

Qarku i integruar fotonik me nitrid silici, Si₃N₄, është një platformë udhëzuese me humbje të pakta dhe stabilitet të lartë, e përdorur gjerësisht në pajisjet fotonike të integruara dhe në përpunimin e sinjaleve optike.

Ndërthurja termike, ose thermal crosstalk, ndodh kur nxehtësia e prodhuar në një zonë të qarkut prek komponentët pranë saj dhe mund të ndryshojë performancën e pajisjes.

Disa funksione optike mund të bashkohen në një çip

Studimi paraqet një platformë fotonike të programueshme, të aftë të menaxhojë në kohë reale si vetitë kohore, ashtu edhe karakteristikat e frekuencës së sinjaleve të dritës.

Kjo arkitekturë mund të tejkalojë mangësitë e pajisjeve tradicionale për vonesën optike, të cilat zakonisht kanë vetëm funksione të paracaktuara. Rezultatet tregojnë gjithashtu se disa aftësi të rëndësishme mund të ndërthuren përfundimisht në të njëjtin qark fotonik.

Funksionet që mund të përfshihen janë sinkronizimi i sinjaleve, linjat e rregullueshme të vonesës, tamponët optikë dhe konvertimi i frekuencës.

Parimet e kësaj arkitekture mund të gjejnë përdorim edhe jashtë sistemeve CRIT. Sipas studiuesve, metoda mund të zbatohet në një gamë të gjerë qarqesh fotonike që mbështeten te rezonatorët, duke krijuar potencialisht bazën për teknologji më të adaptueshme të përpunimit të sinjaleve optike.

Ndikimi i mundshëm në inteligjencën artificiale dhe qendrat e të dhënave

Nëse arrin në fazën e komercializimit, një çip i vetëm optik i programueshëm mund të realizojë disa procese, nga kontrolli i shpejtësisë së sinjaleve deri te kalimi nga një funksion në tjetrin.

Në këtë aspekt, pajisja mund të punojë në mënyrë të ngjashme me një sistem të përcaktuar nga softueri, duke e përshtatur sjelljen e vet sipas ndryshimit të nevojave.

Falë këtij fleksibiliteti, serverët e inteligjencës artificiale dhe qendrat e të dhënave mund ta përpunojnë informacionin me efikasitet më të lartë dhe me konsum më të ulët energjie.

Integrimi i disa proceseve të sinjalit në të njëjtin çip mund të ndihmojë gjithashtu në zvogëlimin e përmasave dhe kostove të pajisjeve të komunikimit optik dhe sistemeve të sensorëve.

Në një perspektivë më të gjatë, teknologjia mund t’u shërbejë sektorëve që mbështeten në përpunimin jashtëzakonisht të shpejtë të informacionit, përfshirë drejtimin autonom, komunikimet e gjeneratës së ardhshme dhe teknologjitë kuantike.

Synimi është zhvillimi i sistemeve më të mëdha fotonike të programueshme

Profesori Namkyoo Park, bashkautor korrespondent i studimit nga Universiteti Kombëtar i Seulit, tha se rëndësia e kërkimit qëndron te propozimi i një parimi të ri projektimi, i cili mundëson rikonfigurimin sipas nevojës të rrjedhës së dritës në qarqet e integruara fotonike dhe rrit ndjeshëm fleksibilitetin e projektimit. Ai shtoi se ekipi synon ta zgjerojë teknologjinë 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 drejtuan hartimin e kornizës teorike dhe analizën numerike, deklaruan se studimi u tregoi se rishikimi 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. Ata thanë se kërkimi do të zhvillohet më tej drejt zbatimit praktik të pajisjeve dhe vërtetimit eksperimental.

Dr. Seungkyun Park është i lidhur me Qendrën InnoCORE PICORE në KAIST. Aktualisht, ai studion inteligjencën artificiale fotonike dhe optikën kuantike në Laboratorin e Sistemeve Fotonike të Universitetit Kombëtar të Seulit.

Ndërkohë, studenti i doktoraturës Beomjoon Chae po punon mbi qarqet e integruara fotonike të programueshme në Laboratorin e Sistemeve të Valëve Inteligjente në SNU.

Mbështetja për kërkimin u sigurua 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. Burimi: ScienceDaily.