Nøgleinnovation inden for fotoniske komponenter kunne transformere supercomputing-teknologi

Programmerbare fotoniske integrerede kredsløb (PPIC'er) behandler lysbølger til beregning, sansning og signalering på måder, der kan programmeres til at passe til forskellige krav. Forskere ved Daegu Gyeongbuk Institut for Videnskab og Teknologi (DGIST), i Sydkorea, har sammen med samarbejdspartnere ved Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST) opnået et stort fremskridt med hensyn til at inkorporere mikroelektromekaniske systemer i PPIC'er.

Deres forskning er blevet publiceret i tidsskriftet Nature Photonics .

"Programmerbare fotoniske processorer lover at overgå konventionelle supercomputere og tilbyde hurtigere, mere effektive og massivt parallelle computerfunktioner," siger Sangyoon Han fra DGIST-teamet. Han understreger, at ud over de øgede hastigheder, der opnås ved at bruge lys i stedet for elektrisk strøm, kan den betydelige reduktion i strømforbruget og størrelsen af ​​PPIC'er føre til store fremskridt inden for kunstig intelligens, neurale netværk, kvantecomputere og kommunikation.

De mikroelektromekaniske systemer (MEMS) i hjertet af det nye fremskridt er små komponenter, der kan interkonvertere optiske, elektroniske og mekaniske ændringer for at udføre de mange forskellige kommunikations- og mekaniske funktioner, som et integreret kredsløb kræver.

Forskerne mener, at de er de første til at integrere siliciumbaserede fotoniske MEMS-teknologier på PPIC-chips, der fungerer med ekstremt lave strømbehov.

"Vores innovation har dramatisk reduceret strømforbruget til femtowatt-niveauer, hvilket er over en million gange en forbedring sammenlignet med den tidligere state of the art," siger Han. Teknologien kan også bygges på chips op til fem gange mindre end eksisterende muligheder.

En nøgle til den dramatiske reduktion i strømbehovet var at bevæge sig væk fra den afhængighed af temperaturændringer, der kræves af de dominerende "termo-optiske" systemer, der i øjeblikket er i brug. De nødvendige bittesmå mekaniske bevægelser drives af elektrostatiske kræfter - tiltrækningen og frastødningerne mellem fluktuerende elektriske ladninger.

Komponenterne integreret på holdets chips kan manipulere en funktion af lysbølger kaldet "fase" og styre koblingen mellem forskellige parallelle bølgeledere, som styrer og begrænser lyset. Dette er de to mest grundlæggende krav til at bygge PPIC'er. Disse funktioner interagerer med mikromekaniske "aktuatorer" (i det væsentlige kontakter) for at fuldende det programmerbare integrerede kredsløb.

Nøglen til fremskridtet har været at anvende innovative koncepter til fremstillingen af ​​de nødvendige siliciumbaserede dele. Det er afgørende, at fremstillingsprocessen kan bruges med konventionel siliciumwaferteknologi. Dette gør den kompatibel med storskalaproduktion af fotoniske chips, der er afgørende for kommercielle applikationer.

Holdet planlægger nu at forfine deres teknologi til at bygge og kommercialisere en fotonisk computer, der vil overgå konventionelle elektroniske computere i en lang række applikationer. Han siger, at eksempler på specifikke anvendelser omfatter de afgørende slutningsopgaver inden for kunstig intelligens, avanceret billedbehandling og datatransmission med høj båndbredde.

"Vi forventer at fortsætte med at skubbe grænserne for beregningsteknologi og bidrage yderligere til fotonikområdet og dets praktiske anvendelser i moderne teknologi," slutter Han.

Flere oplysninger: Dong Uk Kim et al., Programmerbare fotoniske arrays baseret på mikroelektromekaniske elementer med femtowatt-standby-strømforbrug, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01327-5

Leveret af Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST)