Un equip del Photonic Research Lab (PRL) – iTEAM de la Universitat Politècnica de València (UPV) ha liderat el desenvolupament d’un xip fotònic reprogramable capaç de funcionar a gran velocitat sense consum elèctric continu, un avanç que pot marcar un abans i un després en la computació òptica, la intel·ligència artificial i els centres de dades de pròxima generació.
Segons explica la UPV, este dispositiu, basat en una plataforma híbrida de silici i titanat de bari, s’anticipa a les necessitats que el mercat plantejarà en els pròxims tres o quatre anys. La seua capacitat per a combinar molta velocitat amb un consum energètic pràcticament nul en repòs obri la porta a sistemes més eficients, sostenibles i escalables en camps com les tecnologies quàntiques, internet de les coses o la medicina avançada.
Tecnologia fotònica amb memòria propia
El director del PRL-iTEAM de la UPV i investigador principal del projecte, José Capmany, detalla que el xip incorpora un sintonitzador d’alta velocitat que, a més, pot ser no volàtil. Açò significa que no necessita una alimentació constant per a mantindre la configuració programada. D’esta manera, el consum d’energia es reduïx exponencialment en comparació amb els circuits actuals que requerixen subministrament continu.
Esta arquitectura permet aconseguir temps de commutació de l’ordre de 80 nanosegons, molt per davall dels temps que oferixen els sistemes termoòptics tradicionals que encara dominen bona part de la fotònica integrada. La reducció de la latència resulta clau en entorns on cal canviar de configuració prompte i amb gran fiabilitat.
En paraules de Cristina Catalá, primera signant de l’article i actualment investigadora postdoctoral en la University of Twente, el dispositiu millora en més de dos ordres de magnitud la tecnologia actual quant a velocitat de sintonització. Açò permet que s’utilitze en aplicacions que exigixen canvis molt ràpids, com ara la provisió de rutes alternatives d’interconnexió en centres de dades davant fallades o sobrecàrregues, on cada nanosegon compta per a mantindre la continuïtat del servici.
Entre les principals aplicacions d’este nou xip, l’equip destaca les comunicacions 6G, els centres de dades, la intel·ligència artificial, internet de les coses, els sensors avançats, la medicina de precisió, la computació fotònica i les tecnologies quàntiques. En tots estos àmbits la necessitat de processar cada volta més informació amb menys consum energètic és creixent, i la fotònica programable s’alça com una alternativa sòlida a la microelectrònica clàssica.
Un microprocessador de llum
El dispositiu funciona com una mena de microprocessador de llum: es pot reconfigurar per a fer diferents tasques, de manera similar a un xip programable convencional, però en lloc de treballar amb senyals elèctrics, manipula senyals òptiques. Açò permet aprofitar la velocitat i l’amplada de banda de la llum, reduint al mateix temps les pèrdues i la generació de calor associades als fluxos de corrent elèctric.
La clau del desenvolupament està en l’ús conjunt del silici, material estàndard en la indústria de xips, i el titanat de bari, un material ferroelèctric capaç de conservar el seu estat una vegada programat. Gràcies a esta propietat, el xip pot ‘recordar’ la configuració establida sense necessitat d’una alimentació elèctrica permanent, cosa que el diferencia dels sistemes fotònics convencionals que han de consumir energia de manera contínua per a mantindre un estat determinat.
Daniel Pérez, CTO d’iPronics, empresa spinoff de la UPV que ha participat igualment en l’estudi, subratlla que esta capacitat de memòria interna permet superar un dels grans obstacles de la fotònica integrada programable: el consum energètic i el calor generat quan es vol escalar el nombre de components dins d’un mateix xip.
En les tecnologies actuals basades en efectes termoòptics, cada element programable necessita una aportació constant d’energia per a funcionar, la qual cosa complica el disseny de xips amb milers d’elements. Amb el nou dispositiu, este consum estàtic es reduïx a nivells pràcticament nuls. Açò facilita afegir molts més components en la mateixa superfície sense penalitzar tant el consum ni la temperatura de funcionament.
José Rausell, integrant de l’equip del PRL-ITEAM de la Universitat Politècnica de València, remarca que, enfront dels xips electrònics convencionals, este sistema permet manipular informació mitjançant llum. Segons explica, això reduïx pèrdues i obri noves possibilitats per a les arquitectures de computació del futur, que podran combinar blocs electrònics i fotònics segons les necessitats de cada aplicació.
Un projecte europeu amb ampla col·laboració
Junt amb l’equip del PRL de la UPV, en el desenvolupament d’este xip han participat investigadors i investigadores de la pròpia empresa iPronics Programmable Photonics S.L., sorgida dels laboratoris de l’iTEAM-UPV; la companyia suïssa Lumiphase AG; la francesa CEA Leti, considerada un dels principals fabricants europeus de xips fotònics de silici, i la University of West Attica, de Grècia. Esta col·laboració internacional ha permés combinar experiència en disseny, fabricació i validació de dispositius fotònics avançats.
El nou xip és un dels resultats destacats de NEoteRIC, el primer projecte europeu que ha aplicat la fotònica programable, basada en ones de llum, a aplicacions biomèdiques. Este enfocament es presenta com una tecnologia disruptiva amb potencial per a revolucionar diversos àmbits, especialment el diagnòstic mèdic, en què l’anàlisi ràpida i precisa d’enormes volums de dades pot marcar la diferència en el tractament de les persones.
A més, el treball s’emmarca en dos projectes del Consell Europeu de Recerca (ERC): l’ERC Advanced Grant ANBIT i l’ERC Starting Grant LS-PHOTONICS, centrats respectivament en l’aplicació de la fotònica programable a la computació i en l’escalat de circuits fotònics reprogramables. Estos projectes busquen avançar en noves arquitectures que facen possible integrar una major complexitat funcional en xips fotònics sense que el consum energètic siga un límit.
Segons detalla la Universitat Politècnica de València, els resultats d’esta investigació s’han publicat en la revista ‘Nature Photonics’, una de les publicacions de referència en el camp de la fotònica. Esta difusió internacional reforça la posició de la UPV i dels socis del projecte com a actors destacats en la carrera per desenvolupar la pròxima generació de xips programables basats en llum.
Per a conéixer altres avanços tecnològics impulsats des de la Comunitat Valenciana, es pot consultar la secció de [ciència i tecnologia](/societat) de València Diari. A més, es pot trobar informació institucional detallada sobre els projectes europeus ERC en la pàgina oficial del Consell Europeu de Recerca (https://erc.europa.eu).
