Súčasné čipy pre umelú inteligenciu narážajú na svoje fyzikálne a energetické limity. Obrovské dátové centrá spotrebúvajú gigawatty elektriny a generujú masívne množstvo tepla, čo predstavuje veľkú ekologickú aj technologickú záťaž pre celú planétu.

Riešenie tohto kritického problému by však mohlo spočívať v prechode z elektriny na svetlo. Ako informoval technologický portál Tech Xplore, vedci urobili zásadný krok vpred vývojom nového ultra-úsporného optického prepínača.

Tento prelomový objav, ktorý bol publikovaný v prestížnom vedeckom časopise Physical Review Letters, otvára dvere k takzvanému optickému computingu. Ide o koncept, kde informácie namiesto elektrónov prenášajú a spracovávajú fotóny, čo odstraňuje odpor aj nežiaduce zahrievanie.

Fyzikálny oriešok: Prečo svetlo doteraz nekomunikovalo?

Za výskumom stoja experti z Pensylvánskej univerzity a Montana State University. Tí dokázali vyriešiť zásadný fyzikálny problém: fotóny, teda základné častice svetla, navzájom bežne vôbec neinteragujú. Na rozdiel od nabitých elektrónov sa svetelné lúče len pretnú a pokračujú ďalej bez zmeny.

Aby bolo možné vytvoriť svetelné tranzistory a logické brány, vedci museli nájsť spôsob, ako donútiť fotóny spolupracovať. Tím preto využil pokročilé dvojrozmerné (2D) materiály, konkrétne jednu atomárnu vrstvu diselenidu molybdénového (MoSe₂).

Tento polovodičový materiál vykazuje unikátne vlastnosti, ktoré vedci skombinovali s takzvanou fotonickou kryštálovou nanodutinou. Spojením svetla a hmoty v tejto extrémne tenkej vrstve vznikli hybridné kvázičastice nazývané excitón-polaritóny.

Polovičné svetlo, polovičná hmota

„Tieto častice sú napoly svetlo a napoly hmota,“ vysvetľuje Li He, docent z Montana State University a hlavný autor štúdie. Vďaka tomu, že polaritóny majú vlastnosti fotónov, dokážu sa šíriť obrovskou rýchlosťou svetla a prenášať informácie takmer okamžite.

Zároveň si však zachovávajú vlastnosti hmoty (excitónov), čo im umožňuje navzájom efektívne interagovať aj pri minimálnom energetickom vstupe. Kľúčom k úspechu bolo stlačenie týchto hybridných častíc do miniatúrneho priestoru nanodutiny.

Táto dutina funguje ako dokonale presná pasca na svetlo na nanoúrovni. Tento proces dramaticky zosilnil interakciu medzi časticami a umožnil prepínanie pri rekordne nízkej energii, ktorú si doteraz vedci nevedeli predstaviť.

Zariadenie tak efektívne kombinuje rýchlosť svetla s citlivosťou hmoty. Výsledkom je funkčný prepínač s minimálnymi stratami.

Rekordne nízka spotreba a masová výroba

Výskumníkom sa podarilo dosiahnuť prah prepínania na úrovni neuveriteľných 4 femtojoulov (fJ). Pre lepšiu predstavu, ide o zlomok energie, ktorú spotrebúvajú dnešné najmodernejšie kremíkové tranzistory pri vysokých frekvenciách v moderných dátových centrách.

Čo je však najdôležitejšie pre praktické nasadenie, celá táto platforma je navrhnutá s ohľadom na masovú produkciu. Použité materiály a štruktúry sa dajú vyrábať bežnymi litografickými metódami, aké sa dnes používajú v továrňach na polovodiče.

To otvára cestu k integrácii tisícov takýchto optických komponentov na jeden optický čip. Nová technológia by mohla nájsť uplatnenie priamo v hardvéri pre umelú inteligenciu, neurómorfné systémy a škálovateľné kvantové počítače.

V ďalšom kroku sa vedecký tím plánuje zamerať na optimalizáciu týchto nanostruktúr, aby dosiahli takzvaný kvantový režim. V ňom by bol jeden jediný fotón schopný ovládať a prepínať stav iného fotónu, čo by znamenalo absolútny vrchol efektivity.

Pohľad redakcie: Prečo na tom záleží Slovensku a Európe?

Európska únia kladie prostredníctvom nového zákona o umelej inteligencii (EU AI Act) veľký dôraz na transparentnosť a ekologický dopad AI modelov. Prevádzka obrovských neurónových sietí ako ChatGPT či Gemini spotrebúva čoraz viac energie, čo vyvoláva obavy o udržateľnosť.

Prechod na optické čipy by mohol tento ekologický problém kompletne vyriešiť. Fotonické čipy by mohli radikálne zmeniť pravidlá hry na globálnom trhu.

Ak by slovenské firmy a výskumné inštitúcie získali prístup k takto efektívnemu hardvéru, vývoj a nasadenie vlastných AI riešení by už neboli brzdené extrémnymi účtami za elektrickú energiu. Technológia by sa tak stala oveľa demokratickejšou.

Fotonický prepínač pre superrýchle čipy

Čítajte viac z kategórie: Umelá inteligencia / AI