Rainbow-on-a-chip‘ by mohla pomoci udržet energetické nároky AI pod kontrolou – a byla vytvořena náhodou
Laboratorní nehoda vedla inženýry k vytvoření čipu, který vystřelí duhu výkonných laserových paprsků – a mohl by pomoci datovým centrům lépe zvládat raketově rostoucí objemy umělá inteligence (AI) datum.
Nový fotonický čip obsahuje průmyslový laserový zdroj spárovaný s precizně navrženým optickým obvodem, který tvaruje a stabilizuje světlo před jeho rozdělením do více, rovnoměrně rozložených barev.
Vytváření tohoto duha efekt – nazývaný frekvenční hřeben – obvykle vyžaduje velké a drahé lasery a zesilovače. Vědci však narazili na způsob, jak zabalit tuto výkonnou fotonickou technologii do jediného malého čipu, když pracovali na způsobu, jak zlepšit lidar (detekce a dosah světla) technologie.
Lidar používá laser pulzy k měření vzdálenosti na základě času, který jim trvá cesta k objektu a odraz zpět. Při pokusu o výrobu výkonnějších laserů schopných zachytit podrobná data z větší vzdálenosti si tým všiml, že čip rozděluje světlo na více barev.
Co je to frekvenční hřeben?
Frekvenční hřeben je typ laserového světla tvořeného více barvami nebo frekvencemi, které jsou rovnoměrně rozmístěny po celé ploše optické spektrum. Při vynesení na spektrogram se tyto frekvence jeví jako hroty připomínající zuby hřebene.
Vrchol každého „zubu“ představuje stabilní, přesně definovanou vlnovou délku, která může nést informaci nezávisle na ostatních. Vzhledem k tomu, že vlnové délky jsou uzamčeny jak ve frekvenci, tak ve fázi – což znamená, že jejich vrcholy zůstávají dokonale zarovnané – vzájemně se neruší. To umožňuje, aby se více datových toků pohybovalo paralelně jedním optickým kanálem, jako je optický kabel.
Poté, co vědci náhodou narazili na tento efekt, navrhli způsob, jak jej záměrně a kontrolovatelně reprodukovat. Také zabalili technologii do křemíkového čipu, kde světlo prochází vlnovody širokými pouhé mikrometry; jeden mikrometr (1 µm) je jedna tisícina milimetru (0,0001 cm), nebo zhruba jedna setina šířky lidského vlasu.
Tým zveřejnil svá zjištění 7. října v časopise Fotonika přírody. Průlom je obzvláště důležitý nyní, kdy se AI umisťuje stále více zdrojového zatížení infrastruktury datového centrařekli výzkumníci.
„Datová centra vytvořila obrovskou poptávku po výkonných a účinných zdrojích světla, které obsahují mnoho vlnových délek,“ spoluautor studie Andres Gil-Molinahlavní inženýr v Xscape Photonics a bývalý výzkumný pracovník v Columbia Engineering, řekl v a prohlášení.
„Technologie, kterou jsme vyvinuli, využívá velmi výkonný laser a mění jej na desítky čistých, vysoce výkonných kanálů na čipu. To znamená, že můžete nahradit stojany jednotlivých laserů jedním kompaktním zařízením, snížit náklady, ušetřit místo a otevřít dveře k mnohem rychlejším a energeticky účinnějším systémům.“
Duha na čipu
K vytvoření frekvenčního hřebene na čipu potřebovali vědci najít vysoce výkonný laser, který by bylo možné vtěsnat do kompaktního fotonického obvodu. Nakonec se rozhodli pro multimódovou laserovou diodu, která je široce používána v lékařských zařízeních a laserových řezacích nástrojích.
Multimode laserové diody mohou produkovat silné paprsky laserového světla, ale paprsek je „nepořádný“, což znamená, že výzkumníci potřebovali zjistit, jak zjemnit a stabilizovat světlo, aby bylo funkční, uvedli vědci ve studii.
Dosáhli toho pomocí techniky nazývané uzamčení samoinjekce, která zahrnuje integraci rezonátorů do čipu, které přivádějí malou část světla zpět do laseru. To filtruje a stabilizuje světlo a výsledkem je paprsek, který je výkonný a vysoce stabilní.
Po stabilizaci čip rozdělí laserový paprsek na vícebarevný frekvenční hřeben. Výsledkem je malé, ale účinné fotonické zařízení, které kombinuje výkon průmyslového laseru s přesností potřebnou pro přenos dat a aplikace snímání, dodali vědci.
Kromě datových center by nový čip mohl umožnit přenosné spektrometry, ultra-přesné optické hodiny, kompaktní kvantová zařízení a dokonce pokročilé systémy lidar.
„Jedná se o přenesení laboratorních světelných zdrojů do zařízení v reálném světě,“ řekl Gil-Molina. „Pokud je dokážete vyrobit výkonné, efektivní a dostatečně malé, můžete je umístit téměř kamkoli.“
