Los chips fotónicos han revolucionado las tecnologías de gran cantidad de datos. Por sí solos o en concierto con los circuitos electrónicos tradicionales, estos dispositivos alimentados por láser envían y procesan información a la velocidad de la luz, lo que los convierte en una solución prometedora para las aplicaciones hambrientas de datos de inteligencia artificial.

Además de su velocidad incomparable, los circuitos fotónicos utilizan mucha menos energía que los electrónicos. Los electrones se mueven con relativa lentitud a través del hardware, chocando con otras partículas y generando calor, mientras que los fotones fluyen sin perder energía, sin generar calor en absoluto. Sin la carga de la pérdida de energía inherente a la electrónica, la fotónica integrada está preparada para desempeñar un papel de liderazgo en la informática sostenible.

La fotónica y la electrónica se basan en áreas separadas de la ciencia y utilizan estructuras arquitectónicas distintas. Ambos, sin embargo, se basan en la litografía para definir los elementos de su circuito y conectarlos secuencialmente. Si bien los chips fotónicos no utilizan los transistores que pueblan los surcos cada vez más pequeños y cada vez más estratificados de los chips electrónicos, su complejo patrón litográfico guía los rayos láser a través de un circuito coherente para formar una red fotónica que puede realizar algoritmos computacionales.

Pero ahora, por primera vez, los investigadores de la Facultad de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Pensilvania han creado un dispositivo fotónico que proporciona procesamiento de información programable en el chip sin litografía, ofreciendo la velocidad de la fotónica aumentada por una precisión y flexibilidad superiores para aplicaciones de IA..

Este dispositivo, que logra un control de la luz sin igual, consta de ganancia y pérdida óptica distribuidas espacialmente. Los láseres arrojan luz directamente sobre una oblea semiconductora, sin necesidad de rutas litográficas definidas.

Liang Feng, Profesor en los Departamentos de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) y Sistemas e Ingeniería Eléctrica (ESE), junto con Ph.D. El estudiante Tianwei Wu (MSE) y los becarios postdoctorales Zihe Gao y Marco Menarini (ESE).

Los sistemas electrónicos basados ​​en silicio han transformado el panorama computacional. Pero tienen claras limitaciones: son lentos en el procesamiento de la señal, trabajan con datos en serie y no en paralelo, y solo se pueden miniaturizar hasta cierto punto. La fotónica es una de las alternativas más prometedoras porque puede superar todas estas carencias.

« Pero los chips fotónicos destinados a aplicaciones de aprendizaje automático se enfrentan a los obstáculos de un intrincado proceso de fabricación en el que los patrones litográficos son fijos, tienen una capacidad de reprogramación limitada, están sujetos a errores o daños y son costosos », dice Feng. « Al eliminar la necesidad de la litografía, estamos creando un nuevo paradigma. Nuestro chip supera esos obstáculos y ofrece una precisión mejorada y una capacidad de reconfiguración definitiva gracias a la eliminación de todo tipo de restricciones de las funciones predefinidas ».

Sin litografía, estos chips se convierten en potencias de procesamiento de datos adaptables. Debido a que los patrones no están predefinidos ni grabados, el dispositivo está intrínsecamente libre de defectos. Quizás lo más impresionante es que la falta de litografía hace que el microchip sea impresionantemente reprogramable, capaz de adaptar sus patrones de fundición láser para un rendimiento óptimo, sea la tarea simple (pocas entradas, pequeños conjuntos de datos) o compleja (muchas entradas, grandes conjuntos de datos).

En otras palabras, la complejidad o el minimalismo del dispositivo es una especie de cosa viva, adaptable en formas que ningún microchip grabado podría ser.

« Lo que tenemos aquí es algo increíblemente simple », dice Wu. « Podemos construirlo y usarlo muy rápidamente. Podemos integrarlo fácilmente con la electrónica clásica. Y podemos reprogramarlo, cambiando los patrones de láser sobre la marcha para lograr una computación reconfigurable en tiempo real para el entrenamiento en chip de una red de IA ».

Una losa de semiconductor sin pretensiones, el dispositivo no podría ser más simple. La manipulación de las propiedades materiales de esta losa es la clave para el avance del equipo de investigación al proyectar láseres en patrones dinámicamente programables para reconfigurar las funciones informáticas del procesador de información fotónica.

Esta capacidad de reconfiguración definitiva es fundamental para el aprendizaje automático y la IA en tiempo real.

« La parte interesante », dice Menarini, « es cómo estamos controlando la luz. Los chips fotónicos convencionales son tecnologías basadas en material pasivo, lo que significa que su material dispersa la luz, haciéndola rebotar de un lado a otro. Nuestro material es activo. El haz de luz de bombeo modifica el material de tal manera que cuando llega el haz de la señal, puede liberar energía y aumentar la amplitud de las señales ».

« Esta naturaleza activa es la clave de esta ciencia y la solución necesaria para lograr nuestra tecnología sin litografía », añade Gao. « Podemos usarlo para redirigir señales ópticas y programar el procesamiento de información óptica en el chip ».

Feng compara la tecnología con una herramienta artística, un bolígrafo para hacer dibujos en una página en blanco.

« Lo que hemos logrado es exactamente lo mismo : bombear luz es nuestra pluma para dibujar la red computacional fotónica (la imagen) en una pieza de oblea semiconductora sin patrón (la página en blanco) ».

Pero a diferencia de las líneas de tinta indelebles, estos rayos de luz se pueden dibujar y volver a dibujar, sus patrones trazan innumerables caminos hacia el futuro.