Umelá inteligencia sa čoraz viac dostáva aj do oblastí, kde doteraz dominovali skúsenosti ľudských inžinierov. Nový výskum ukazuje, že môže navrhnúť aj mikroskopické súčiastky pre čipy, ktorých tvar by človek pravdepodobne nenavrhol. Vedci pomocou AI zmenšili tri dôležité komponenty fotonických čipov až 500-krát. Niektoré z nich majú rozmery iba niekoľkých mikrometrov. Napriek tomu dokážu presne pracovať so svetlom a splniť úlohy, ktoré od nich výskumníci požadujú.
Výsledky publikoval tím v časopise Nature Communications. Výskum zároveň ukázal, že umelá inteligencia nemusí vytvárať iba teoreticky zaujímavé návrhy. Jej výstupy sa podarilo aj vyrobiť, informuje Live Science.
Odoberaj Vosveteit.sk cez Telegram a prihlás sa k odberu správ
Fotonický čip pracuje so svetlom
Klasické počítačové čipy využívajú na prenos a spracovanie informácií elektróny. Fotonické čipy pracujú inak, informácie prenášajú pomocou fotónov, teda častíc svetla. Takýto prístup má viacero výhod. Svetlo dokáže prenášať veľké množstvo dát a rôzne vlnové dĺžky môžu súčasne niesť odlišné dátové prúdy. Pri prenose svetla navyše vzniká menej tepla než pri niektorých elektronických riešeniach.
Fotonické čipy preto nachádzajú využitie napríklad v optických komunikačných systémoch, dátových centrách, umelej inteligencii, lidaroch pre autonómne vozidlá alebo pri vývoji kvantových počítačov. Svetlo sa po čipe nešíri cez klasické kovové vodiče. Vedci na jeho vedenie používajú vlnovody, teda mikroskopické kanály, ktoré usmerňujú svetlo požadovaným smerom.
Na čipe však treba umiestniť aj ďalšie komponenty. Medzi ne patria rozdeľovače vlnových dĺžok, triediče priestorových módov a zrkadlá. Čím menšie tieto súčiastky sú, tým viac ich môže výrobca umiestniť na rovnakú plochu. A práve tu prichádza na scénu AI.
VIDEO: Takýto zápas neuvidíš ani v Mortal Kombat. Robot odkopol súperovi hlavu, ten bojoval ďalej
Zdroj: Nature Communications (Bi et. al. 2026)
Umelá inteligencia navrhla to, čo by človeku nenapadlo
Inžinieri pri návrhu fotonických súčiastok tradične vychádzajú z existujúcich riešení. Vezmú overený dizajn a následne ho postupne upravujú tak, aby dosiahli lepší výkon. Takýto proces však môže trvať dlho a zároveň obmedzuje počet tvarov, ktoré môže človek reálne preskúmať. Výskumníci preto použili metódu známu ako inverzný návrh. AI najprv nedostala pokyn, aby nakreslila konkrétny komponent. Vedci jej povedali, čo má svetlo na konci procesu robiť, a zároveň jej stanovili výrobné obmedzenia.
Algoritmus potom hľadal vhodnú štruktúru opačným smerom. Skúšal rôzne geometrie, vyhodnocoval ich vlastnosti a návrh opakovane upravil, až kým nenašiel riešenie, ktoré splnilo požadované podmienky. Výsledkom boli veľmi nezvyčajné nanostruktúry, ktoré by človek pri tradičnom návrhu pravdepodobne nevyskúšal.
„Inverzný návrh nám umožňuje určiť, čo chceme, aby svetlo robilo, a optimalizácia potom nájde štruktúru, ktorá to dokáže, často takú, akú by človek nenakreslil,“ vysvetlil prvý autor štúdie Toby Bi z Max Planckovho inštitútu pre vedu o svetle.
Tri súčiastky, ktoré zaberú minimum priestoru
Výskumníci sa zamerali na tri rôzne komponenty. Prvým je rozdeľovač vlnových dĺžok. Jeho úlohou je rozdeliť svetlo podľa jeho vlnovej dĺžky, takže rôzne dátové signály môžu pokračovať odlišnými cestami. Tento komponent má priemer približne 5 mikrometrov, čo je približne veľkosť jednej baktérie. Druhým zariadením je triedič priestorových módov. Ten dokáže rozlíšiť rôzne priestorové vzory svetla a zaradiť ich podľa požadovaných vlastností. Tretím komponentom sú mikroskopické zrkadlá. Tie majú dĺžku približne 11 mikrometrov a výskumníci ich navrhli tak, aby dokázali odrážať svetlo s veľmi vysokou účinnosťou.
Pri testoch zrkadlá odrazili až 98,5 percenta dopadajúceho svetla a zároveň zabránili prechodu nežiaducich svetelných módov. Keď vedci umiestnili dve zrkadlá na opačné strany vlnovodu, svetlo medzi nimi odrazili viac než 100-krát, kým uniklo zo systému.
Pomohol aj špeciálny materiál
Miniaturizácia však nestála iba na umelej inteligencii. Výskumníci použili aj pomerne hrubú vrstvu nitridu kremíka. Tá mala hrúbku približne 400 až 800 nanometrov, zatiaľ čo pri bežnom kremíku sa v podobných aplikáciách používajú tenšie vrstvy s hrúbkou približne 150 až 400 nanometrov. Nitrid kremíka pomáha znižovať straty svetla a zároveň umožňuje lepšie udržať svetlo vo vlnovode. To je pri fotonických čipoch dôležité, pretože aj malé straty môžu pri prenose veľkého množstva dát znížiť výslednú účinnosť systému.
Zdroj: Miguel Á. Padriñán z Pexels.com
Vedci teda spojili AI návrh s materiálom, ktorý umožnil vyrobiť veľmi malé komponenty bez toho, aby stratili požadované vlastnosti.
Výsledky znejú zaujímavo, no výskum má jednu dôležitú hranicu. Vedci zatiaľ vytvorili a otestovali jednotlivé komponenty, nie kompletný fotonický obvod, v ktorom by všetky tri súčiastky fungovali spoločne. Práve integrácia bude ďalším krokom. Ak sa podarí jednotlivé prvky spojiť do jedného funkčného systému, vznikne priestor na umiestnenie oveľa väčšieho počtu komponentov na rovnakej ploche. To môže byť dôležité pri budúcich fotonických čipoch určených na vysokorýchlostný prenos a spracovanie dát.
„Je vzrušujúce, že rovnaký rámec dokáže na jednom čipe vykonávať tri úplne odlišné úlohy: viesť svetlo podľa vlnovej dĺžky, triediť ho podľa priestorového módu a vytvárať kompaktné zrkadlá pre optické dutiny priamo na čipe,“ uviedol Bi.
Výskum zároveň ukazuje širší trend v polovodičovom priemysle. Umelá inteligencia už neslúži iba na analýzu dát alebo generovanie textu. Výskumníci ju čoraz častejšie využívajú priamo pri navrhovaní hardvéru. Podobné systémy už dokázali skrátiť niektoré návrhové procesy z týždňov na hodiny. Google napríklad využíva vlastný systém AlphaChip na návrh rozmiestnenia komponentov v čipoch pre umelú inteligenciu.
Pri fotonike môže byť výhoda AI ešte výraznejšia, pretože počet možných mikroskopických geometrií je obrovský. Človek môže skúšať iba obmedzený počet návrhov, zatiaľ čo algoritmus dokáže prehľadať oveľa väčší priestor možností. Nové výsledky preto neposúvajú iba hranice miniaturizácie. Ukazujú aj odlišný spôsob navrhovania čipov, pri ktorom inžinier neurčuje presný tvar súčiastky, ale skôr výsledok, ktorý má dosiahnuť. AI následne hľadá cestu, ako tento výsledok dosiahnuť.
Praktické využitie takýchto fotonických čipov ešte závisí od ďalšieho vývoja a integrácie jednotlivých komponentov. Výskum však naznačuje, že pri budúcich čipoch môže byť otázka nielen ako malé dokážeme súčiastky vyrobiť, ale aj aké tvary dokáže navrhnúť algoritmus, keď ho neobmedzíme ľudskou predstavivosťou.
Páčil sa vám článok? Sledujte nás na Facebooku