Každú sekundu preletia svetom miliardy e-mailov, videí z TikToku a dopytov na umelú inteligenciu. Tieto dáta cestujú globálnymi optickými sieťami vo forme svetelných impulzov. Prechádzajú cez miniatúrne komponenty zvané fotonické čipy, ktoré svetlo usmerňujú a spájajú, aby zabezpečili rýchly prenos informácií. Napriek obrovskému pokroku však narážajú na vážny technologický strop – zložitejšie operácie, ako je zosilňovanie či konverzia signálu, stále nedokážu spracovať čisto opticky.

Ak chce dnešný hardvér s týmito signálmi pracovať, musí ich najskôr premeniť zo svetla (fotónov) na elektrinu (elektróny), spracovať ich a následne opäť premeniť na svetlo. Tento neustály kolobeh premeny so sebou prináša obrovské energetické straty a produkuje masívne množstvo odpadového tepla, ktoré servery doslova spaľuje zvnútra.

Tím pod vedením profesora inžinierskej fyziky Stéphana Kéna-Cohena z Polytechnique Montréal však prišiel s riešením, ktoré by mohlo súčasnú architektúru kompletne prekopať. Ako ukázali najnovšie zistenia publikované vo vedeckom časopise Science Advances, kľúčom k úspechu je integrácia nového typu organického materiálu priamo na kremíkové čipy. Ten umožňuje spracovávať svetelné signály priamo, čím odpadá nutnosť energeticky náročnej konverzie.

Zázračná molekula, ktorá sa uprace sama

Celý prelom sa točí okolo organickej molekuly s krkolomným názvom triphenylamine–dicyanoquinoxaline (skrátene TPA-QCN). Tento materiál sa vyznačuje takzvanou druhostupňovou nelineárnou optickou odozvou. Zjednodušene povedané, umožňuje svetelným lúčom vzájomne interagovať priamo počas ich prechodu materiálom. Vďaka tomu dokáže čip svetelný signál priamo modulovať či zosilňovať bez toho, aby sme ho museli „prekladať“ do reči elektrónov.

Kremík, hoci je kráľom dnešnej elektroniky, má v oblasti optiky zásadné limity. Chýbajú mu prirodzené vlastnosti, ktoré by umožnili svetelným vlnám priamo interagovať a meniť svoju frekvenciu bez pomoci vonkajších faktorov. Práve preto je integrácia organických materiálov ako TPA-QCN takým obrovským míľnikom pre budúcnosť mikročipov.

Najväčšie kúzlo však spočíva v spôsobe, akým sa tento materiál nanáša. Výskumníci použili metódu vákuového naparovania, kedy sa na kremíkovú doštičku nanesie ultratenký film. Počas tohto procesu sa molekuly neusporiadajú chaoticky, ale spontánne prijmú jednotnú, preferovanú orientáciu.

Výroba bez komplikácií a nízke náklady

Tento proces samousporiadania môže znieť ako nezaujímavý detail, no z fyzikálneho hľadiska robí obrovský rozdiel. Doteraz totiž integrácia podobných nelineárnych materiálov vyžadovala zložité, drahé a technologicky rizikové postupy. Výrobcovia čipov sa navyše obávali, že pridávanie organických vrstiev by mohlo narušiť citlivé výrobné linky, ktoré vyžadujú extrémne čisté prostredie a presne definované teplotné cykly.

Kanadský tím však demonštroval, že ich metóda nanesenia filmu pomocou vákuového odparovania nielenže prebieha pri nízkych teplotách, ale nevyžaduje si ani žiadne dodatočné kroky, čím sa minimalizujú náklady. Nová metóda je tak plne kompatibilná so súčasnými štandardmi v polovodičovom priemysle, čo otvára cestu k rýchlemu nasadeniu do reálnej produkcie.

Podobne ako nová sodíková batéria, ktorá prepisuje pravidlá energetiky a bezpečnosti, aj tento optický prielom ukazuje, že cesta k udržateľnej technologickej budúcnosti nevedie cez neustále zväčšovanie existujúcich systémov, ale cez inteligentnejšiu prácu s materiálmi na mikroskopickej úrovni.

AI je príliš hladná, starý hardvér nestíha

Prečo je tento objav taký dôležitý práve v týchto rokoch? Odpoveďou je masívny rozmach generatívnej umelej inteligencie. Zatiaľ čo bežné internetové vyhľadávanie spotrebuje minimum energie, trénovanie a prevádzka pokročilých AI modelov vyžadujú nepretržitú a extrémne rýchlu výmenu dát medzi tisíckami procesorov v dátových centrách.

Každá takáto výmena znamená ďalšie a ďalšie konverzie signálu zo svetla na elektrinu a späť. Energetická stopa týchto procesov začína rásť raketovým tempom. Moderné AI akcelerátory, ako napríklad najnovšie verzie čipov Google TPU, prenášajú také obrovské objemy dát, že samotný presun informácií svetelnými káblami sa stáva hlavným energetickým úzkym hrdlom moderných superpočítačov.

Aby vedci demonštrovali reálnu silu svojho konceptu, navrhli integrované zariadenie, ktoré dokázalo premeniť infračervené svetlo používané v telekomunikáciách na viditeľné červené svetlo priamo na čipe. Ide o jasný dôkaz, že technológia funguje a dokáže manipulovať so svetlom za chodu. Ak sa podarí tieto funkcie integrovať do komerčných čipov, čaká nás revolúcia, ktorá zachráni dátové centrá pred energetickým kolapsom a umožní ďalší bezproblémový rast AI bez toho, aby sme kvôli jej napájaniu museli stavať desiatky nových elektrární.

Výskum revolučných optických čipov v Kanade

GALÉRIA+ 0

Čítajte viac z kategórie: Umelá inteligencia / AI