I circuiti integrati fotonici programmabili (PPIC) elaborano le onde luminose per il calcolo, il rilevamento e la segnalazione in modi che possono essere programmati per soddisfare diversi requisiti. I ricercatori del Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST), in Corea del Sud, con i collaboratori del Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), hanno ottenuto un importante progresso nell'incorporamento di sistemi microelettromeccanici nei PPIC.
La loro ricerca è stata pubblicata sulla rivista Nature Photonics .
"I processori fotonici programmabili promettono di superare i supercomputer convenzionali, offrendo capacità di elaborazione più veloci, più efficienti e massicciamente parallele", afferma Sangyoon Han del team DGIST. Sottolinea che, oltre all'aumento della velocità raggiunta utilizzando la luce anziché la corrente elettrica, la significativa riduzione del consumo energetico e delle dimensioni dei PPIC potrebbe portare a importanti progressi nell'intelligenza artificiale, nelle reti neurali, nell'informatica quantistica e nelle comunicazioni.
I sistemi microelettromeccanici (MEMS) al centro del nuovo progresso sono minuscoli componenti in grado di interconvertire modifiche ottiche, elettroniche e meccaniche per eseguire la varietà di funzioni meccaniche e di comunicazione necessarie a un circuito integrato.
I ricercatori ritengono di essere i primi a integrare tecnologie MEMS fotoniche basate sul silicio su chip PPIC che funzionano con requisiti di potenza estremamente bassi.
"La nostra innovazione ha ridotto drasticamente il consumo energetico a livelli di femtowatt, un miglioramento di oltre un milione di volte rispetto allo stato dell'arte precedente", afferma Han. La tecnologia può anche essere implementata su chip fino a cinque volte più piccoli rispetto alle opzioni esistenti.
Una chiave per la drastica riduzione del fabbisogno energetico è stata quella di allontanarsi dalla dipendenza dai cambiamenti di temperatura richiesti dai dominanti sistemi “termo-ottici” attualmente in uso. I minuscoli movimenti meccanici richiesti sono alimentati da forze elettrostatiche:le attrazioni e le repulsioni tra cariche elettriche fluttuanti.
I componenti integrati nei chip del team possono manipolare una caratteristica delle onde luminose chiamata "fase" e controllare l'accoppiamento tra diverse guide d'onda parallele, che guidano e vincolano la luce. Questi sono i due requisiti fondamentali per la realizzazione dei PPIC. Queste funzionalità interagiscono con "attuatori" micromeccanici (essenzialmente interruttori) per completare il circuito integrato programmabile.
La chiave del progresso è stata l'applicazione di concetti innovativi alla fabbricazione delle parti necessarie a base di silicio. Fondamentalmente, il processo di produzione può essere utilizzato con la tecnologia convenzionale dei wafer di silicio. Ciò lo rende compatibile con la produzione su larga scala di chip fotonici essenziali per le applicazioni commerciali.
Il team ora prevede di perfezionare la propria tecnologia per costruire e commercializzare un computer fotonico che supererà le prestazioni dei computer elettronici convenzionali in un’ampia varietà di applicazioni. Han afferma che esempi di usi specifici includono le attività cruciali di inferenza nell'intelligenza artificiale, nell'elaborazione avanzata delle immagini e nella trasmissione di dati a larghezza di banda elevata.
"Ci aspettiamo di continuare ad ampliare i confini della tecnologia computazionale, contribuendo ulteriormente al campo della fotonica e alle sue applicazioni pratiche nella tecnologia moderna", conclude Han.
Ulteriori informazioni: Dong Uk Kim et al, Array fotonici programmabili basati su elementi microelettromeccanici con consumo energetico in standby a livello di femtowatt, Nature Photonics (2023). DOI:10.1038/s41566-023-01327-5
Fornito dall'Istituto di scienza e tecnologia Daegu Gyeongbuk (DGIST)
