Koniec obmedzení rýchlosti svetla? Vedci vyvinuli čip, ktorý ho dokáže „zabrzdiť“

Umelá inteligencia mení spôsob, akým používame počítače, no zároveň odhaľuje limity technológií, na ktorých stojí dnešný digitálny svet. Každý nový model AI, každé väčšie dátové centrum a každá generácia výkonnejších algoritmov potrebujú viac výpočtového výkonu, rýchlejšie dátové prenosy a najmä efektívnejšie hospodárenie s energiou.

Kremíkové polovodiče, ktoré desaťročia poháňali technologický pokrok, sa postupne približujú svojim fyzikálnym hraniciam. Výrobcovia síce stále dokážu vyrábať menšie a výkonnejšie čipy, no ďalšie zvyšovanie výkonu už nie je také jednoduché ako v minulosti. Problémom nie je len samotná rýchlosť výpočtov, ale aj množstvo energie, ktoré spotrebujú dátové centrá pri presúvaní obrovských objemov informácií.

Práve preto vedci už roky skúmajú alternatívu v podobe fotonických počítačov. Tie namiesto elektrických impulzov využívajú svetlo, ktoré dokáže prenášať dáta oveľa rýchlejšie a s menšími energetickými stratami. Svetlo však prináša aj jeden zásadný problém – je extrémne rýchle.

A práve táto vlastnosť bola doteraz jednou z najväčších prekážok.

Svetlo je rýchle až príliš

V klasických elektronických počítačoch je jednoduché vytvoriť pamäťové prvky. Elektrický signál môžeme uložiť, spomaliť alebo oneskoriť pomocou rôznych komponentov. Pri svetle je situácia úplne iná. Fotóny sa pohybujú extrémnou rýchlosťou a vedci dlho zápasili s otázkou, ako ich kontrolovať dostatočne presne na to, aby sa dali využiť v praktických počítačových systémoch.

Ak má byť fotonický počítač skutočne konkurenciou dnešným čipom, nestačí len posielať svetelné impulzy rýchlejšie. Potrebujeme ich vedieť aj riadiť – napríklad oneskoriť, synchronizovať alebo meniť ich vlastnosti podľa aktuálnych potrieb systému.

Práve tu prichádza nový objav tímu vedcov zo Soulu. Výskumníci vyvinuli programovateľný fotonický integrovaný obvod, ktorý dokáže meniť správanie svetelných signálov v reálnom čase. Ide o technológiu, ktorá môže výrazne posunúť vývoj budúcich dátových centier, AI akcelerátorov aj ďalších vysokovýkonných systémov.

Čip, ktorý už nie je „zamrznutý“ pri výrobe

Doterajšie riešenia využívali jav označovaný ako CRIT (Coupled-Resonator-Induced Transparency). V jednoduchosti ide o spôsob, pri ktorom sa pomocou špeciálnej štruktúry optických rezonátorov mení spôsob prechodu svetla cez čip.

Takéto riešenia síce fungovali, no mali veľkú nevýhodu. Ich vlastnosti boli pevne nastavené už počas výroby. Ak chcel výrobca alebo výskumník zmeniť parametre, napríklad rýchlosť svetelného signálu alebo jeho šírku pásma, musel vytvoriť úplne nový dizajn čipu.

To je v praxi veľký problém. Moderné technológie potrebujú flexibilitu podobnú softvéru – možnosť meniť vlastnosti systému bez toho, aby bolo nutné vyrábať nový hardvér. A presne toto sa podarilo kórejskému tímu.

Vedci vytvorili systém založený na kombinácii dvoch optických stavov označovaných ako „svetlý“ a „tmavý“ mód. K nim pridali kontrolovateľné slučkové väzobné prvky, ktoré umožňujú meniť správanie svetla podľa potreby. Výsledkom je fotonický čip, ktorý už nie je statickým zariadením. Je možné ho programovať a upravovať podobne ako elektronický systém.

Prečo je spomalenie svetla také dôležité?

Na prvý pohľad môže znieť zvláštne, že vedci chcú svetlo spomaľovať. Veď práve jeho rýchlosť je jedným z hlavných dôvodov, prečo je atraktívne.

V skutočnosti však ide o kontrolu. Počítače a dátové centrá nepotrebujú iba maximálnu rýchlosť. Potrebujú, aby jednotlivé časti systému komunikovali presne načas.

Pri umelej inteligencii je tento problém ešte výraznejší. Moderné AI modely pracujú s obrovskými množstvami dát, ktoré musia prechádzať medzi procesormi, pamäťami a akcelerátormi. Aj malé oneskorenia môžu znižovať efektivitu celého systému.

Nový fotonický čip umožňuje vedcom meniť nielen rýchlosť svetelného impulzu, ale aj jeho šírku pásma či frekvenčné vlastnosti. To otvára dvere k flexibilnejším optickým sieťam, ktoré sa dokážu prispôsobiť aktuálnej záťaži.

Výskumníci zároveň testovali stabilitu riešenia pri podmienkach, ktoré sa približujú reálnemu používaniu. Simulácie ukázali, že systém dokáže fungovať aj pri teplotných zmenách či drobných odchýlkach spôsobených výrobou.

Budúcnosť počítačov môže patriť svetlu

Hoci nový čip zatiaľ nie je pripravený na okamžité nasadenie v bežných počítačoch, ide o významný krok smerom k praktickej fotonike. Vedci sa teraz chcú zamerať na integráciu technológie so súčasnými platformami kremíkovej fotoniky, ktorá využíva podobné výrobné postupy ako klasické polovodiče.

Ak sa podarí technológiu zmenšiť a vyrábať vo veľkom, mohla by pomôcť vyriešiť jeden z najväčších problémov modernej výpočtovej techniky – rastúce energetické nároky.

Budúce dátové centrá poháňajúce umelú inteligenciu by tak nemuseli byť postavené iba na stále výkonnejších procesoroch. Namiesto toho by mohli využívať kombináciu elektroniky a svetla, kde by fotóny zabezpečovali extrémne rýchly prenos informácií a čipy by ich dokázali presne riadiť.

Fotonické počítače sú zatiaľ stále vo fáze vývoja, no podobné objavy ukazujú, že budúcnosť výpočtovej techniky nemusí byť iba o menších tranzistoroch. Možno bude o tom, ako naučíme svetlo pracovať pre nás.

Čítajte viac z kategórie: Vesmír a veda