В дополнение к своей несравнимой скорости фотонные схемы потребляют значительно меньше энергии, чем электронные. Электроны относительно медленно движутся по аппаратному обеспечению, сталкиваясь с другими частицами и выделяя тепло, в то время как фотоны текут без потери энергии, вообще не выделяя тепла. Не обремененная потерями энергии, присущими электронике, интегрированная фотоника готова играть ведущую роль в области устойчивых вычислений.

Фотоника и электроника опираются на отдельные области науки и используют различные архитектурные сооружения. Оба, однако, полагаются на литографию для определения элементов своей схемы и последовательного соединения их. В то время как в фотонных чипах не используются транзисторы, которые заполняют постоянно уменьшающиеся и все более слоистые пазы электронных чипов, их сложный литографский рисунок направляет лазерные лучи по когерентной схеме, формируя фотонную сеть, способную выполнять вычислительные алгоритмы.

Но теперь, впервые, исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета создали фотонное устройство, которое обеспечивает программируемую обработку информации на кристалле без литографии, предлагая скорость фотоники, дополненную превосходной точностью и гибкостью для приложений искусственного интеллекта.

Достигая непревзойденного контроля над освещением, это устройство состоит из пространственно распределенных оптических коэффициентов усиления и потерь. Лазеры отбрасывают свет непосредственно на полупроводниковую пластину, не прибегая к определенным литографическим траекториям.

Лян Фэн, профессор кафедр материаловедения и инженерии (MSE) и электрических систем и инжиниринга (ESE), вместе с докторантом Тяньвэем Ву (MSE) и постдокторантами Цзыхэ Гао и Марко Менарини (ESE) представили микрочип в недавнем исследовании, опубликованном в журнале Природная фотоника.

Электронные системы на основе кремния изменили вычислительный ландшафт. Но у них есть явные ограничения: они медленно обрабатывают сигнал, они обрабатывают данные последовательно, а не параллельно, и их можно миниатюризировать только до определенной степени. Фотоника является одной из наиболее перспективных альтернатив, поскольку она может преодолеть все эти недостатки.

"Но фотонные чипы, предназначенные для приложений машинного обучения, сталкиваются с препятствиями, связанными со сложным процессом изготовления, где литографский рисунок фиксирован, ограничен в возможности перепрограммирования, подвержен ошибкам или повреждениям и является дорогостоящим", - говорит Фенг. "Устраняя необходимость в литографии, мы создаем новую парадигму. Наш чип преодолевает эти препятствия и обеспечивает повышенную точность и максимальную перенастраиваемость при устранении всех видов ограничений, связанных с предопределенными функциями".

Без литографии эти чипы становятся адаптируемыми центрами обработки данных. Поскольку узоры не заданы заранее и не вытравлены, устройство по своей сути не имеет дефектов. Возможно, что еще более впечатляюще, отсутствие литографии делает микрочип впечатляюще перепрограммируемым, способным адаптировать свои модели лазерного литья для оптимальной производительности, будь то простая задача (несколько входных данных, небольшие наборы данных) или сложная (много входных данных, большие наборы данных).

Другими словами, сложность или минимализм устройства - это своего рода живое существо, способное адаптироваться так, как не смог бы ни один вытравленный микрочип.

"То, что мы имеем здесь, - это нечто невероятно простое", - говорит Ву. "Мы можем построить и использовать его очень быстро. Мы можем легко интегрировать его с классической электроникой. И мы можем перепрограммировать его, изменяя лазерные схемы "на лету", чтобы обеспечить реконфигурируемые вычисления в реальном времени для обучения сети искусственного интеллекта на чипе ".

Это непритязательное полупроводниковое устройство не могло быть проще. Именно манипулирование свойствами материала этой плиты является ключом к прорыву исследовательской группы в проектировании лазеров в динамически программируемые структуры для перенастройки вычислительных функций фотонного информационного процессора.

Такая максимальная перенастраиваемость имеет решающее значение для машинного обучения в реальном времени и искусственного интеллекта.

"Самое интересное, - говорит Менарини, - это то, как мы управляем светом. Обычные фотонные чипы - это технологии, основанные на пассивном материале, что означает, что их материал рассеивает свет, отбрасывая его назад и вперед. Наш материал активен. Луч света накачки изменяет материал таким образом, что при поступлении сигнального луча он может высвобождать энергию и увеличивать амплитуду сигналов."

"Эта активная природа является ключом к этой науке и решением, необходимым для создания нашей технологии, не требующей литографии", - добавляет Гао. "Мы можем использовать его для перенаправления оптических сигналов и программирования обработки оптической информации на чипе".

Фэн сравнивает технологию с художественным инструментом - ручкой для рисования картинок на чистой странице.

"То, чего мы достигли, в точности то же самое: накачка светом - это наше перо для рисования фотонной вычислительной сети (рисунок) на куске полупроводниковой пластины без рисунка (чистая страница)".

Но в отличие от несмываемых линий чернил, эти лучи света можно рисовать и перерисовывать заново, их узоры прослеживают бесчисленные пути в будущее.