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Chip fotonici, l’AI riduce i componenti fino a 500 volte
Un gruppo del Max Planck Institute ha usato un algoritmo di intelligenza artificiale per ridisegnare tre componenti essenziali dei chip fotonici. Lo studio, pubblicato su Nature Communications, descrive strutture lunghe pochi micrometri e con un ingombro fino a 500 volte inferiore rispetto alle soluzioni convenzionali. Questi elementi separano e dirigono la luce all’interno del circuito, perciò ogni micrometro recuperato può ospitare nuove funzioni. Il risultato dimostra inoltre che geometrie estremamente insolite possono essere fabbricate con processi reali.
I chip fotonici trasportano le informazioni attraverso fotoni anziché affidarsi soltanto agli elettroni. La luce viene incanalata in una guida d’onda, l’equivalente ottico di una pista conduttrice, e può sostenere flussi distinti su diverse lunghezze d’onda. Questa architettura offre ampia banda e limita parte del calore associato al trasferimento di grandi quantità di dati, ma richiede numerosi elementi ottici per controllare con precisione ogni segnale.
L’AI impiegata nello studio non è un modello linguistico e non disegna liberamente un circuito. I ricercatori hanno applicato la progettazione inversa: hanno specificato il comportamento desiderato della luce e i vincoli di fabbricazione, compresi i limiti alla curvatura delle nanostrutture. L’algoritmo ha quindi lavorato a ritroso, modificando ripetutamente la geometria fino a individuare configurazioni capaci di produrre la risposta ottica richiesta.
Con lo stesso metodo sono stati ottenuti separatori di lunghezza d’onda, selettori di modi spaziali e specchi destinati a cavità ottiche integrate. I separatori di lunghezza d’onda dividono flussi luminosi differenti, mentre i selettori riconoscono diverse distribuzioni spaziali della luce. Il gruppo ha realizzato le strutture in nitruro di silicio con uno spessore compreso tra 400 e 800 nanometri, così da confinare meglio la luce e ridurne la dispersione.
La conseguenza pratica è una maggiore densità di componenti sulla stessa superficie. Lo spazio recuperato potrebbe essere utilizzato per integrare altre funzioni nei collegamenti in fibra, nei data center, nei lidar dei veicoli autonomi e nei sistemi di calcolo quantistico. Sul fronte quantistico, il risultato si collega a quanto abbiamo raccontato sui modelli IA aperti per il quantum computing, pur intervenendo qui sulla geometria fisica dei dispositivi e non sui programmi eseguiti dalle macchine.
Per chi segue l’hardware, la prospettiva più concreta è il passaggio da componenti adattati manualmente a strutture sintetizzate in funzione di un obiettivo. Gli ingegneri partono normalmente da forme già collaudate e le ottimizzano, esplorando solo una parte delle configurazioni possibili. Un algoritmo può invece valutare geometrie difficili da immaginare e rendere più compatti i circuiti fotonici integrati, senza chiedere al progettista di anticiparne la forma finale.
Il risultato resta una dimostrazione sperimentale su tre componenti, non un intero chip commerciale ridotto di 500 volte. Prima di una produzione su larga scala serviranno verifiche su resa produttiva, tolleranze, stabilità termica, perdite ottiche, packaging e affidabilità. Le strutture sono state progettate tenendo conto della fabbricazione, un passaggio essenziale, ma lo studio non stabilisce tempi per l’arrivo in data center, automobili o computer quantistici.
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