W ramach projektu ATHENS naukowcy z KIT zajmują się wyzwaniami wynikającymi z szybkiego wzrostu ilości danych i wymagań technologii sztucznej inteligencji.
Europejska Rada ds. Badań Naukowych (ERC) przyznała grant synergii na projekt badawczy ATHENS, kierowany przez profesorów Christiana Koosa i Stefana Bräse z Instytutu Technologii w Karlsruhe (KIT). Projekt ma na celu poprawę wydajności i efektywności energetycznej systemów komunikacji optycznej, odpowiadając na rosnące zapotrzebowanie na szybką transmisję danych napędzaną przez sztuczna inteligencja aplikacje (AI). Dzięki sześcioletniemu zaangażowaniu w finansowanie w wysokości 14 mln euro (~15 mln dolarów) projekt skorzysta również z obiektów w Centrum Optyki i Fotoniki w Karlsruhe (KCOP), którego otwarcie zaplanowano na 2025 r.
Wyzwania związane ze wzrostem danych
Szybki wzrost ilości danych stanowi istotne wyzwanie dla technologii informacyjno-komunikacyjnych. Szkolenie dużych modeli językowych na potrzeby aplikacji AI jest szczególnie wymagające i wymaga ogromnych zasobów obliczeniowych oraz wydajnej komunikacji pomiędzy tysiącami procesorów w równoległych systemach obliczeniowych.
Transceivery optyczne odgrywają kluczową rolę w tym procesie, przekształcając dane elektryczne w sygnały optyczne, które przemieszczają się szybko i skutecznie przez włókna szklane lub falowody. Tradycyjnie do tej konwersji używano komponentów krzemowych, ale obecnie z trudem nadążają za rosnącym zapotrzebowaniem na dane. Co więcej, obecne transceivery zużywają duże ilości energii, przyczyniając się do wysokiej emisji CO2 związanej z technologiami AI.
Innowacje w transceiverach optycznych
W ramach projektu ATHENS badane są nowe systemy i komponenty materiałowe do konwersji sygnału elektronicznego na optyczny. „Naszym celem jest uczynienie transceiverów nie tylko mocniejszymi, ale także wydajniejszymi, aby można było osiągnąć wyższe prędkości transmisji danych przy tym samym lub nawet mniejszym zużyciu energii” – powiedział profesor Christian Koos z Instytutu Fotoniki i Elektroniki Kwantowej oraz Instytutu Elektroniki Kwantowej. Technologia mikrostruktury w KIT.
„Dzięki środkom finansowym z grantu ERBN na synergię możemy teraz zrealizować cały projekt ATHENS, od wyboru odpowiednich materiałów po symulację cząsteczek organicznych i działającego systemu transmisji w laboratorium”.
Podejścia hybrydowe w materiałoznawstwie
Czteroosobowy zespół, w skład którego oprócz Koosa wchodzą profesor Stefan Bräse z Instytutu Chemii Organicznej i Instytutu Systemów Biologicznych i Chemicznych w KIT, profesor Carsten Ronning z Uniwersytetu Friedricha Schillera w Jenie i profesor Tobias Kippenberg ze Szwajcarskiego Instytutu Federalnego Technologii w Lozannie przyjmuje podejście hybrydowe, łącząc krzem z innymi materiałami.
„Komponenty krzemowe są niedrogie i dostępne w dużych ilościach, ale ich możliwości optyczne mają swoje ograniczenia. Aby zrekompensować te ograniczenia, jednocześnie nadal korzystając z zalet krzemu, łączymy krzem z innymi systemami materiałowymi” – powiedział Koos.
Jednym z podejść testowanych przez zespół jest wykorzystanie materiałów organicznych, tj. związków na bazie węgla. „Możemy symulować te cząsteczki na komputerach, zanim wyprodukujemy w laboratorium materiały o pożądanych właściwościach, a następnie wydrukujemy je na płytkach krzemowych” – powiedział Bräse.
Inna metoda polega na łączeniu krzemowych chipów fotonicznych z innymi chipami w celu utworzenia dodatkowych platform materiałowych, na przykład platform kryształ na izolatorze, w których cienka warstwa monokrystaliczna jest umieszczana na podłożu izolacyjnym w celu późniejszego przetworzenia na elementy optyczne.
Finansowanie wzmacnia pozycję KIT w fotonice
„Gwałtowny postęp w dziedzinie sztucznej inteligencji jest poważnym wyzwaniem dla sektora technologii informatycznych. Należy szybko znaleźć wykonalne rozwiązania” – powiedział profesor Oliver Kraft, wiceprezes ds. badań w KIT. „Cieszę się, że Europejska Rada ds. Badań Naukowych finansuje wspólnie z ATHENS projekt na styku inżynierii materiałowej i technologii informacyjnej. Badania te wzmacniają wyjątkową pozycję KIT w fotonice, która będzie dalej rosnąć wraz z ukończeniem Centrum Optyki i Fotoniki w Karlsruhe (KCOP).
Korzyści dla technologii kwantowej i inżynierii medycznej
Oprócz modeli sztucznej inteligencji hybrydowe systemy materiałowe do urządzeń nadawczo-odbiorczych mogłyby mieć również zastosowanie w technologiach kwantowych i inżynierii medycznej, na przykład w czujnikach do urządzeń do noszenia lub w zastosowaniach typu laboratorium optyczne na chipie do analizy próbek krwi.
Grant synergiczny ERBN
Europejska Rada ds. Badań Naukowych finansuje obiecujące zespoły badawcze za pomocą grantów synergicznych. Granty przeznaczone są na projekty, które są możliwe wyłącznie dzięki współpracy wyznaczonych naukowców i doprowadzą do odkryć na styku uznanych dyscyplin oraz do znaczących postępów w granicach wiedzy. W 2024 r. złożono 548 wniosków o dofinansowanie. ERBN wybrała 57 projektów do grantów synergii. Niemcy są zaangażowane w 34 z wybranych projektów, co stanowi zdecydowanie najwyższy odsetek. To już czwarty raz, kiedy prestiżowy grant ERC Synergy Grant trafił do badaczy z KIT.
