Ochenta años después de que University of Pennsylvania le diera al mundo la ENIAC, la primera computadora electrónica de propósito general, investigadores de esa misma institución están trabajando en algo que podría reconfigurar la computación en su nivel más fundamental. No haciendo que los chips sean más rápidos en el sentido convencional, sino replanteando qué transporta la información en su interior en primer lugar.
La propuesta: reemplazar los electrones con luz.
Por qué el hardware que impulsa la IA actual se está chocando contra un muro
Cada computadora construida desde la ENIAC, desde el smartphone en un bolsillo hasta los centros de datos que ejecutan grandes modelos de IA, funciona bajo el mismo principio básico. Los electrones se mueven a través de los materiales, y ese movimiento codifica y procesa información. Ha funcionado extraordinariamente bien durante décadas. Pero los electrones llevan una carga eléctrica, y esa carga crea problemas que se agravan a medida que los sistemas se vuelven más complejos.
A medida que los electrones se mueven a través de los materiales del chip, generan calor y encuentran resistencia. Se desperdicia energía. A la escala de los sistemas de IA modernos, que procesan enormes volúmenes de datos de forma continua, esas pérdidas no son triviales. Los límites físicos del hardware basado en electrones son cada vez más difíciles de esquivar desde la ingeniería, y las demandas energéticas de la IA se están acelerando más rápido de lo que el diseño convencional de chips puede asimilar.
Este es el contexto en el que la computación fotónica, la idea de utilizar partículas de luz llamadas fotones en lugar de electrones, ha atraído una seria atención científica.
La partícula que une dos mundos
Los fotones tienen propiedades que los hacen atractivos para la computación. Como lo explica Li He, coprimer autor de un artículo publicado en Physical Review Letters y exinvestigador posdoctoral en el Zhen Lab de Penn: los fotones son neutros en carga y tienen masa en reposo nula, lo que les permite transportar información rápidamente a largas distancias con una pérdida mínima de energía. Es por eso que la luz ya domina la tecnología de las comunicaciones.
El problema es la otra cara de esas mismas propiedades. Debido a que los fotones apenas interactúan con su entorno, tienen dificultades con las operaciones de conmutación de las que depende la computación. Un sistema que puede transportar información de manera eficiente pero no puede tomar decisiones con ella aún no es una computadora.
Esto es lo que hace significativo el trabajo del físico Bo Zhen y su equipo en la School of Arts and Sciences de Penn. Su enfoque no utiliza simplemente luz en lugar de electrones. Crea un nuevo tipo de partícula que combina propiedades de ambos.
La partícula se llama excitón-polaritón. Se forma cuando los fotones se acoplan fuertemente con los electrones dentro de un material semiconductor atómicamente delgado. El resultado es una cuasipartícula que conserva la eficiencia de la luz para transportar información mientras obtiene suficiente interacción con su entorno para realizar la lógica de conmutación que requiere la computación.
El equipo demostró la conmutación totalmente óptica utilizando aproximadamente 4 cuadrillonésimas de joule de energía. Vale la pena detenerse en esa cifra: está muy por debajo de la energía necesaria para encender brevemente una diminuta luz LED. La conmutación ocurrió sin convertir las señales de luz nuevamente en electrónicas, que es precisamente el paso de conversión que actualmente limita a los chips de IA fotónicos.
Esto es lo que la mayoría de la cobertura sobre computación fotónica pasa por alto: muchos chips experimentales de IA fotónica ya usan luz para ciertos cálculos. El cuello de botella no son las partes rápidas y lineales del cálculo. Son los pasos de activación no lineal, las operaciones de toma de decisiones, donde los sistemas fotónicos existentes tienen que recurrir a la electrónica. Esa conversión ralentiza el procesamiento e incrementa el consumo de energía, negando parcialmente las ventajas de usar luz en primer lugar. Los excitones-polaritones son una solución propuesta para ese problema específico.
Lo que esto significa más allá del laboratorio
Las implicaciones, si la tecnología logra escalarse, se extienden en varias direcciones.
Los sistemas de IA se encuentran entre las cargas de trabajo computacionales con mayor consumo de energía jamás creadas. La capacidad de realizar una mayor parte de ese cálculo en el dominio fotónico, sin conversiones repetidas entre la luz y la electricidad, podría reducir sustancialmente las demandas de energía de las grandes infraestructuras de IA. Eso importa no solo por el costo, sino también por la cuestión más amplia de cómo las sociedades sostendrán el desarrollo de la IA a medida que esta crezca.
También existe una aplicación más inmediata a la que señalan los investigadores de Penn: chips fotónicos capaces de procesar información directamente desde cámaras sin pasos de conversión. Los sistemas de IA basados en visión, que son fundamentales para la robótica, los vehículos autónomos y las imágenes médicas, requieren actualmente que los datos de luz entrantes se conviertan en señales electrónicas antes de que comience el procesamiento. Un chip que funcione de forma nativa en el dominio fotónico podría gestionar esa cadena de procesamiento de manera más eficiente.
La investigación también apunta hacia la computación cuántica. Los excitones-polaritones podrían, potencialmente, admitir funciones cuánticas básicas en chips futuros, aunque esa aplicación sigue estando más alejada de una implementación práctica.
El trabajo contó con el apoyo de la US Office of Naval Research y la Sloan Foundation. Entre los autores adicionales se encuentran Zhi Wang y Bumho Kim, de la School of Arts and Sciences de Penn. Li He, quien codirigió la investigación, es ahora profesor asistente en Montana State University.
En resumen
Los electrones han impulsado la computación desde la ENIAC. Están alcanzando límites físicos que afectan de manera crítica a la IA. Los fotones transportan la información de manera eficiente, pero no pueden realizar la lógica de conmutación que las computadoras necesitan. Investigadores de Penn han creado una partícula híbrida, el excitón-polaritón, que combina las propiedades de ambos, lo que permite una conmutación totalmente óptica a niveles de energía extraordinariamente bajos. Si este enfoque se escala, podría reducir el costo energético de los sistemas de IA y eliminar un cuello de botella clave en el diseño de chips fotónicos. La física es nueva. El problema que aborda es urgente.
Basado en información de ScienceDaily AI.