Kunstmatige intelligentie ontwerpt chiponderdelen tot 500 keer kleiner

Onderzoekers van het Max Planck Institute for the Science of Light hebben drie belangrijke onderdelen van fotonische microchips drastisch verkleind. Met hulp van een AI-algoritme ontwierpen ze structuren die tot 500 keer kleiner zijn dan gangbare ontwerpen, zonder aan prestaties in te boeten. Het team publiceerde de resultaten op 28 mei in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Communications. Eerste auteur Toby Bi noemt de uitkomst "beyond human intuition": vormen die geen mens ooit zelf zou hebben getekend.

Rekenen met licht in plaats van stroom

Gewone computerchips sturen elektronen door piepkleine kanaaltjes. Fotonische chips doen dat met deeltjes licht, fotonen genaamd. Omdat licht zich sneller verplaatst dan elektrische stroom, kunnen deze chips data sneller verwerken en versturen. Ze bieden ook meer bandbreedte, doordat verschillende golflengtes van licht tegelijk aparte datastromen kunnen vervoeren, en ze verliezen minder energie als warmte. Daardoor worden fotonische chips al gebruikt in glasvezelnetwerken, datacenters, AI-systemen, lidar-sensoren voor zelfrijdende auto's en kwantumcomputers.

Binnen zo'n chip leiden microscopisch kleine kanaaltjes, golfgeleiders genoemd, het licht van punt A naar punt B. Onderweg passeert het licht onderdelen die golflengtes splitsen, lichtpatronen sorteren en licht terugkaatsen met spiegels. Al die onderdelen moeten passen binnen een oppervlakte die een fractie is van de breedte van een mensenhaar.

Het algoritme werkt achterstevoren

Traditioneel ontwerpen ingenieurs zulke onderdelen met de hand: ze nemen een beproefd ontwerp als uitgangspunt en optimaliseren dat stap voor stap. Dat proces is traag en beperkt het aantal vormen dat onderzoekers kunnen uitproberen. Het team koos voor een andere aanpak, inverse ontwerp genoemd. Ze vertelden het AI-algoritme precies wat het licht moest doen en gaven grenzen mee waarbinnen fabricage mogelijk is, zoals hoe scherp een nanostructuur mag buigen. Vervolgens testte en verfijnde het algoritme talloze varianten totdat het een werkende vorm vond.

Voor extra prestaties gebruikten de onderzoekers relatief dik siliciumnitride, tussen de 400 en 800 nanometer, tegenover 150 tot 400 nanometer bij standaard silicium. Dat materiaal verspilt minder licht en houdt golflengtes strakker vast. Het resultaat: spiegels van ongeveer 11 micrometer lang die tot 98,5 procent van het invallende licht terugkaatsen. Geplaatst in paren rond een golfgeleider, kaatste het licht er meer dan honderd keer tussen heen en weer voordat het ontsnapte. De golflengtesplitser mat ongeveer 5 micrometer, ongeveer zo groot als een bacterie, en de lichtpatroon-sorteerder was iets groter.

Doordat de onderdelen zoveel kleiner zijn, blijft er meer ruimte over op een chip voor andere functies. De drie componenten zijn tot nu toe los van elkaar getest; de volgende stap is ze samen te voegen tot één volledig geïntegreerd optisch circuit. Het onderzoek past in een bredere trend waarin chipontwerpers AI inzetten in het ontwerp- en fabricageproces van halfgeleiders, wat ontwerptijd fors kan verkorten.