L'AI può progettare componenti fotonici 500 volte più piccoli di quelli umani?

Il circuito che un progettista probabilmente non avrebbe mai disegnato

Ci sono notizie che rappresentano un miglioramento di quello che già sappiamo fare ed altre che invece fanno intravedere un cambiamento nel modo stesso in cui si progetta qualcosa, questa appartiene decisamente alla seconda categoria perché un gruppo di ricercatori della Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences e del Max Planck Institute for the Science of Light ha utilizzato un sistema di inverse design per realizzare componenti destinati ai circuiti fotonici integrati che non partono dalla geometria che un ingegnere considera ragionevole, non partono da un accoppiatore noto da modificare o da una struttura già vista da ottimizzare, si dice semplicemente al computer CHE COSA DEVE FARE LA LUCE e l'algoritmo cerca autonomamente una geometria che permetta di ottenere quel risultato, arrivando a forme irregolari fatte di minuscoli pieni, vuoti, aperture e percorsi che difficilmente qualcuno avrebbe disegnato partendo dall'intuizione umana.

Cinquecento volte più piccoli non è un modo di dire

Il dato che rende il lavoro particolarmente impressionante è proprio quello delle dimensioni, nello studio pubblicato su Nature Communications sono stati fabbricati multiplexer WDM capaci di separare differenti frequenze della luce con aree di appena 5 × 5 micrometri quadrati oppure 8 × 8 micrometri quadrati, mentre i dispositivi per la separazione dei modi ottici arrivano a riduzioni dell'area occupata dell'ordine di 500 volte rispetto ad alcune implementazioni convenzionali, praticamente funzioni che normalmente richiedono strutture lunghe centinaia di micrometri possono essere concentrate in una superficie che comincia ad avere dimensioni paragonabili a quelle di una cellula. E la parte più importante è che NON STIAMO PARLANDO SOLTANTO DI UNA SIMULAZIONE, i dispositivi sono stati realmente fabbricati su nitruro di silicio e successivamente misurati dai ricercatori.

Anche gli specchi diventano microscopici

Tra i componenti realizzati ci sono anche particolari riflettori integrati grandi appena pochi micrometri, una coppia di questi dispositivi può creare una cavità ottica nella quale la luce rimbalza più di cento volte prima di uscire e la riflettività misurata supera il 98%, nello studio vengono descritte cavità basate su riflettori con un'area di circa 11 × 2,8 micrometri quadrati ed una finesse superiore a 160. È proprio qui che il risultato diventa interessante anche per chi normalmente si occupa di elettronica e non di ottica perché la fotonica integrata sta diventando uno dei candidati più importanti per spostare, elaborare e distribuire quantità enormi di dati nei sistemi destinati all'intelligenza artificiale, evitando almeno in parte uno dei problemi che sta diventando gigantesco nei sistemi elettronici tradizionali, cioè spostare continuamente enormi quantità di informazione consumando energia e producendo calore.

Il progettista non sparisce, cambia completamente lavoro

La cosa probabilmente più affascinante è che qui il computer non sta semplicemente facendo più velocemente i calcoli che prima faceva un progettista, il principio viene praticamente rovesciato, l'ingegnere stabilisce il risultato desiderato, impone i vincoli fisici e soprattutto quelli di fabbricazione reale, come le dimensioni minime producibili e la tolleranza alle variazioni del processo, poi l'algoritmo esplora geometrie che nessuno avrebbe avuto motivo di provare manualmente. È un dettaglio fondamentale perché uno dei problemi storici dell'ottimizzazione automatica è proprio questo, il computer può trovare una soluzione teoricamente meravigliosa ma impossibile da costruire, in questo caso invece i limiti della foundry vengono introdotti direttamente nell'ottimizzazione e il risultato finale è stato effettivamente trasferito sul wafer.

Perché questa notizia riguarda direttamente l'AI

I grandi sistemi di intelligenza artificiale stanno facendo emergere un problema che ormai non è più soltanto quello di costruire transistor più piccoli, bisogna far comunicare enormi quantità di unità di calcolo e memoria senza spendere una quantità assurda di energia solamente per trasportare i dati, ed è uno dei motivi per cui l'industria sta investendo così pesantemente nella fotonica integrata. Questi dispositivi non sono ancora un nuovo processore AI pronto per essere inserito in un server, bisogna dirlo chiaramente, ma consentire di comprimere di decine o addirittura centinaia di volte componenti fondamentali come multiplexer, mode sorter e cavità significa poter immaginare circuiti fotonici molto più densi e complessi, quindi interconnessioni ottiche, sistemi LiDAR, elaborazione fotonica, telecomunicazioni e in prospettiva anche acceleratori AI capaci di fare molto di più nello stesso spazio.

E forse la parte più incredibile deve ancora arrivare

Il passo successivo indicato dagli stessi ricercatori sarà combinare questi componenti con circuiti ottici non lineari, dove la luce confinata all'interno del chip può generare optical frequency combs e compiere funzioni utili nelle telecomunicazioni, nella metrologia e nei sistemi quantistici, ma il messaggio più grosso che arriva da questo lavoro è un altro: per decenni abbiamo utilizzato il computer per verificare un circuito concepito dalla mente di un progettista, adesso stiamo entrando nell'epoca in cui potremmo limitarci a descrivere le prestazioni che vogliamo ottenere e lasciare che sia la macchina a trovare una struttura fisica che a noi, guardandola, probabilmente non sarebbe mai venuta in mente.