À medida que a inteligência artificial, a computação em nuvem e os centros de dados de alto desempenho impulsionam a procura global por computação rápida, os investigadores olham cada vez mais para além da electrónica convencional.
Uma equipe do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) acredita que a resposta pode estar em uma integração mais eficiente de chips eletrônicos e fotônicos. Um desafio que há muito tempo retarda a adoção da computação óptica de próxima geração.
Através do seu programa de investigação FUTUR-IC, o MIT revelou uma inovação que poderá permitir que futuros microchips transmitam dados a velocidades superiores a um petabit por segundo, consumindo significativamente menos energia. O trabalho centra-se em novos dispositivos que facilitam a integração da electrónica, que processa informação através da electricidade, com a fotónica, que transmite informação através da luz.
Segundo pesquisadoresAs tecnologias também podem ser desenvolvidas utilizando equipamentos de fabricação de semicondutores existentes, tornando-as mais práticas para adoção em larga escala.
Resolvendo um dos maiores obstáculos na fotônica do silício
ao longo dos anos, Os engenheiros viram A óptica co-empacotada é uma das formas mais promissoras de melhorar a transferência de dados dentro de servidores e sistemas de computação de alto desempenho.
A comunicação óptica consome muito menos energia do que as interconexões elétricas, tornando-a cada vez mais atraente à medida que os data centers se expandem para suportar cargas de trabalho de IA e serviços em nuvem. No entanto, a integração de chips fotônicos com processadores eletrônicos convencionais continua tecnicamente difícil e cara.
O programa FUTUR-IC do MIT visa enfrentar esse desafio desenvolvendo componentes que simplifiquem o empacotamento óptico. Avanços recentes incluem dois novos acopladores ópticos, um acoplador evanescente e um acoplador de índice graduado (GRIN), projetados para transferir luz entre dispositivos fotônicos de forma mais eficiente.
A equipe também destacou um terceiro par criado anteriormente por pesquisadores liderados pelo professor Xuezun Hu.
Juntos, os dispositivos representam o que os pesquisadores descrevem como o primeiro equivalente óptico dos “saliências de solda”, as minúsculas conexões metálicas que conectam os chips eletrônicos atuais. Em vez de transportar sinais elétricos, essas conexões ópticas transferem luz entre componentes fotônicos, tornando potencialmente mais fáceis a montagem e a fabricação de futuros pacotes eletrônicos-fotônicos.
Por que a fotônica é importante
Ao contrário dos sinais elétricos, que sofrem com o aumento da resistência e da perda de energia à medida que as taxas de dados aumentam, as comunicações ópticas podem transmitir grandes quantidades de informação com um consumo de energia significativamente menor.
De acordo com o diretor do FUTUR-IC, Anu Aggarwal, o objetivo de longo prazo do programa é passar das atuais centenas de terabits por segundo para um petabit por segundo de transmissão de dados. O grupo de pesquisa argumenta que o uso da eletrônica principalmente para computação e, ao mesmo tempo, da fotônica para comunicação poderia reduzir significativamente as demandas de energia das futuras infraestruturas de computação.
A necessidade está se tornando cada vez mais urgente. À medida que os modelos de IA crescem e os serviços em nuvem proliferam, espera-se que os data centers consumam uma parcela cada vez maior da eletricidade global. A integração fotônica é amplamente vista na indústria de semicondutores como um dos métodos mais promissores para melhorar a largura de banda sem um aumento proporcional no consumo de energia.
Diferentes acopladores para diferentes aplicações
Em vez de desenvolver uma única solução universal, os pesquisadores do MIT desenvolveram vários métodos de acoplamento óptico otimizados para diferentes requisitos. O acoplador GRIN fornece ajuste de amplo comprimento de onda, permitindo operar em uma ampla gama de sinais ópticos.
Enquanto isso, os acopladores evanescentes são mais fáceis de fabricar e podem ser embalados de forma mais densa, tornando-os adequados para aplicações que exigem um grande número de conexões ópticas em uma área limitada. De acordo com os pesquisadores, os futuros sistemas eletrônico-fotônicos provavelmente exigirão múltiplas tecnologias de acoplamento, cada uma equilibrando a complexidade de fabricação, a eficiência óptica e a densidade de integração de forma diferente.
Design fora do chip
FUTUR-IC vai além do hardware semicondutor. O programa também lançou o EarthStar, uma plataforma de modelagem que ajuda as empresas a avaliar o impacto ambiental da fabricação de semicondutores, identificando o uso de energia, o uso de materiais e os pontos críticos de emissão de carbono em seus produtos.
Paralelamente, a iniciativa está desenvolvendo o treinamento da força de trabalho por meio de cursos on-line, boot camps e recursos educacionais focados em habilidades em recursos de semicondutores.
Embora a implantação comercial destas tecnologias ainda esteja um pouco distante, a investigação aborda um dos desafios mais duradouros da indústria: a integração eficiente da fotónica com a electrónica convencional.
