Cómo funciona el chip óptico que podría abaratar y acelerar el desarrollo de tecnología para inteligencia artificial

Un equipo de científicos desarrolló una nueva generación de chips ópticos que promete transformar el procesamiento y la transmisión de datos al reducir el consumo energético y habilitar la reconfiguración eléctrica de los dispositivos, según el portal tecnológico TechXplore. La innovación, publicada en la revista científica Science Advances, busca resolver uno de los principales obstáculos de las tecnologías optoelectrónicas: el elevado consumo de energía y la rigidez de los diseños tradicionales. Los investigadores aspiran a que el avance facilite la adopción de herramientas más eficientes en inteligencia artificial, comunicaciones ópticas y sensores avanzados.

Hasta ahora, las celdas ópticas programables requerían alimentación eléctrica constante incluso cuando no estaban en funcionamiento activo, lo que elevaba los costos y complicaba la integración de circuitos fotónicos en sistemas de alto rendimiento. El nuevo microchip —denominado NEO-PGA: Nonvolatile Electro-Optically Programmable Gate Array— resuelve esta limitación mediante materiales de cambio de fase, que permiten almacenar información en un estado estable sin consumo energético continuo, tal como ocurre en los CD y DVD. El chip mantiene así su configuración sin depender de una fuente de energía permanente.

La tecnología de circuitos fotónicos, que utiliza luz en lugar de electricidad para procesar y transmitir datos, ya se emplea en comunicaciones de fibra óptica de alta velocidad, sensores para vehículos autónomos y aceleradores de hardware para aprendizaje automático. No obstante, cada aplicación específica exigía hasta ahora un diseño de circuito único, lo que ampliaba el tiempo y el costo de desarrollo. La programabilidad eléctrica que introduce esta innovación acerca los circuitos ópticos a la flexibilidad de los FPGA electrónicos utilizados en aplicaciones avanzadas.

Diseño, fabricación y usos

La aportación central del chip radica en su bajo consumo y en la capacidad de reprogramación eléctrica sin perder precisión ni confiabilidad. Rui Chen, postdoctorando en el Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT) y autor principal del estudio, explicó que la solución permite modificar la configuración del chip una vez producido y mantenerla sin consumo energético continuo.

“Podría ayudar a acelerar el ciclo de prototipado y reducir el consumo de energía en aplicaciones como la computación de inteligencia artificial”, señaló y agregó: “Nuestro estudio demuestra por primera vez que estas clases de circuitos ópticos pueden ser controlados por señales eléctricas, de forma confiable y muy precisa”.

El equipo, dirigido por el profesor Arka Majumdar de la Universidad de Washington, demostró además la viabilidad de la fabricación a escala: el chip se elaboró con procesos industriales habituales en el Washington Nanofabrication Facility, sobre obleas de silicio proporcionadas por Intel Corporation.

Los materiales de cambio de fase permiten almacenar, procesar y transmitir datos de modo no volátil, y resuelven desafíos previos de pérdida óptica y limitaciones en la precisión que presentaban otras aproximaciones de circuitos ópticos programables. El desarrollo abarcó cuatro años e incluyó pruebas del circuito en escenarios de laboratorio orientados a aplicaciones reales.

Para el investigador del MIT, el espectro de usos del chip va desde el procesamiento de información hasta sistemas de imagen y redes neuronales para inteligencia artificial.

Próximos pasos del equipo investigador

El siguiente reto será someter al chip a pruebas en aplicaciones funcionales: computación basada en inteligencia artificial, conmutadores ópticos en centros de datos e instrumentos de detección óptica. Entre las metas declaradas por el equipo figura la construcción de un sistema optoelectrónico de mayor escala, donde el chip interactúe con una placa de control eléctrico y algoritmos automatizados para mejorar la adaptabilidad y el control.

Chen, que prevé continuar su colaboración con Majumdar entre la Universidad de Washington y el MIT, destacó la necesidad de optimizar la velocidad y resistencia de los materiales de cambio de fase, factores que determinarán el tipo y variedad de aplicaciones industriales o científicas del chip.

“Este nuevo chip óptico constituye una plataforma poderosa para el avance de la optoelectrónica, ya que permite sistemas de mayor escala, no requiere esquemas de control complicados y elimina el consumo de energía estática”, señaló. Para él, esos factores combinados allanan el camino a sistemas ópticos escalables que podrían reducir el consumo energético y abaratar el costo de las aplicaciones tecnológicas avanzadas.