Chip fotônico programável permite desacelerar luz e impulsionar futuro da IA e data centers

Pesquisadores desenvolveram um avançado chip fotônico programável, que possui a capacidade de desacelerar a luz conforme a necessidade, abrindo caminho para o desenvolvimento de computadores ópticos mais eficientes e significativamente mais rápidos. A descoberta, anunciada na terça-feira, 21 de julho de 2026, promete revolucionar a computação, especialmente em sistemas de inteligência artificial.

Novo chip consegue diminuir a velocidade da luz sob comando

Cientistas de diversas instituições criaram um circuito integrado fotônico que pode manipular a velocidade da luz, conferindo aos engenheiros um controle sem precedentes sobre a propagação de sinais ópticos em circuitos. Esta inovação pode fornecer os recursos de atraso, sincronização e armazenamento temporário (buffers) essenciais para tornar a computação baseada em luz uma realidade prática.

Uma única unidade desse chip pode futuramente executar múltiplas funções que hoje exigem componentes separados, o que poderia diminuir consideravelmente o consumo de energia, os custos e a complexidade em servidores de inteligência artificial e em grandes data centers.

A pesquisa foi conduzida por uma equipe liderada pelos professores Namkyoo Park e Sunkyu Yu, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade Nacional de Seul, em colaboração com o professor Xianji Piao, da Escola de Engenharia Elétrica e de Computação da Universidade de Seul.

Reduzir a velocidade da luz pode ajudar a resolver um gargalo na computação

O crescimento exponencial da inteligência artificial generativa e dos modelos de grande escala tem elevado drasticamente a demanda por poder computacional em data centers e servidores. Os semicondutores eletrônicos convencionais enfrentam dificuldades para acompanhar essa demanda, devido ao alto consumo energético e às limitações na velocidade de transmissão de dados.

Esses desafios intensificaram o interesse na computação óptica, que utiliza luz em vez de sinais elétricos para processar informações. Sistemas ópticos prometem transmitir dados em velocidades altíssimas com menor gasto de energia.

Entretanto, a luz apresenta um grande desafio: sua velocidade fixa e constante dificulta o atraso ou o armazenamento temporário de sinais ópticos, capacidades cruciais para a criação de buffers e memórias em computadores ópticos.

Para superar essa barreira, os pesquisadores conceberam um circuito fotônico programável, capaz de controlar a velocidade e o formato dos sinais ópticos. Essa abordagem oferece uma flexibilidade muito maior para manipular a “luz lenta” do que os métodos anteriores.

O estudo detalhado sobre a inovação foi publicado na prestigiada revista internacional Advanced Science.

Por que os sinais ópticos às vezes precisam esperar?

Os circuitos fotônicos integrados estão emergindo como uma tecnologia promissora para o processamento rápido e eficiente de informações usando a luz. Em data centers, redes de comunicação óptica e futuros sistemas de computação, a transmissão veloz de sinais é apenas uma parte da solução.

É imprescindível que esses sistemas garantam que os diferentes sinais cheguem no momento exato. Em certas situações, um sinal luminoso precisa ser atrasado para manter a sincronização com outras informações que circulam pelo sistema.

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Um dos métodos para gerar esses atrasos é baseado na transparência induzida por ressonadores acoplados (CRIT), que se vale da interferência entre múltiplos ressonadores ópticos.

A tecnologia CRIT permite que a luz dentro de uma faixa de frequência específica passe por um dispositivo, ao mesmo tempo em que reduz a velocidade de propagação do sinal óptico.

• Transparência induzida por ressonadores acoplados (CRIT): Fenômeno óptico que transmite e atrasa seletivamente a luz em uma faixa de frequência específica por meio da interferência entre múltiplos ressonadores.
• Ressonador óptico: Dispositivo fotônico que confina ou faz circular luz de uma frequência específica por um período determinado; usado para atraso de sinal, filtragem e modulação.

Dispositivos ópticos fixos limitam a flexibilidade

Os dispositivos CRIT tradicionais costumam ter características operacionais que se tornam permanentes após a fabricação, dificultando qualquer alteração em seu funcionamento depois de produzidos.

Por exemplo, engenheiros que desejam criar um atraso de sinal maior ou trabalhar com uma faixa de frequência diferente frequentemente precisam projetar e fabricar um dispositivo fotônico completamente novo.

Essa falta de adaptabilidade aumenta a complexidade da infraestrutura de data centers e do hardware de comunicação óptica, além de elevar os custos e alongar os prazos de desenvolvimento sempre que novas funcionalidades são necessárias.

O problema é particularmente relevante para servidores de inteligência artificial e centros de dados de última geração, que processam enormes volumes de informação em tempo real. Componentes ópticos fixos, portanto, representam um grande obstáculo para sistemas de computação óptica mais práticos e versáteis.

Um projeto programável para controlar a luz

A equipe de pesquisa desenvolveu uma estratégia inovadora, tratando dois estados ópticos em sistemas CRIT – o modo brilhante e o modo escuro – como um único grau de liberdade. Os pesquisadores também adicionaram dois acopladores de laço controláveis.

Essas modificações, em conjunto, resultaram em um novo princípio de design para circuitos fotônicos integrados programáveis. Arranjos de ressonadores que antes eram fixos em uma única configuração após a fabricação agora podem ser ajustados para diferentes propósitos.

Utilizando essa nova arquitetura CRIT, os pesquisadores demonstraram que o movimento da luz podia ser atrasado e controlado conforme a necessidade. Eles também mostraram que a interferência entre os modos claro e escuro poderia ser tratada como um único parâmetro de projeto integrado.

Essa abordagem expandiu consideravelmente a flexibilidade dos circuitos de ressonadores fotônicos, que antes eram limitados por designs inflexíveis.

Controlando o atraso, a largura de banda e o formato do sinal

Os pesquisadores demonstraram teoricamente que os dois acopladores de laço poderiam ser usados para ajustar a largura de banda e o formato da banda de passagem. Eles também poderiam controlar o tempo de atraso dos sinais e a eficiência com que esses sinais se propagavam pelo circuito.

Isso significa que tanto a velocidade quanto o comportamento de transmissão dos sinais ópticos podem ser reconfigurados em sistemas completos, contendo múltiplos ressonadores, em vez de apenas dentro de um único componente.

Simulações numéricas também indicaram que a velocidade dos pulsos ópticos podia ser ajustada dinamicamente enquanto o circuito estava em operação.

Os resultados mostraram que os tempos de atraso do sinal poderiam ser alterados sem comprometer o desempenho do processamento. O sistema também era capaz de converter a frequência da luz sem a necessidade de componentes especializados adicionais.

• Pulso óptico: Breve emissão de luz utilizada como unidade básica para transmitir informações em sistemas de comunicação óptica e computação.

Simulações sugerem que o chip pode ser prático

Os pesquisadores empregaram simulações eletromagnéticas tridimensionais para verificar a viabilidade da construção do dispositivo CRIT em uma plataforma de circuito integrado fotônico de nitreto de silício (Si3N4).

Eles também avaliaram uma série de desafios práticos que poderiam impactar o dispositivo durante a fabricação e o uso. Isso incluiu perdas de material, variações na qualidade do ressonador, retroespalhamento, flutuações de acoplamento, erros de fase nos acopladores de laço e interferência térmica.

As simulações indicaram que a estrutura proposta tem o potencial de operar de maneira confiável em condições realistas.

• Circuito integrado fotônico de nitreto de silício (Si3N4): Plataforma de guia de ondas com baixa perda e alta estabilidade, amplamente utilizada para processamento de sinais ópticos e dispositivos fotônicos integrados.
• Interferência térmica: Fenômeno no qual o calor gerado em uma parte de um circuito afeta componentes adjacentes, podendo alterar o desempenho do dispositivo.

Um único chip pode executar diversas funções ópticas

O estudo introduz uma plataforma fotônica programável que consegue controlar as propriedades de tempo e frequência dos sinais luminosos em tempo real.

Este projeto tem o potencial de superar as limitações dos dispositivos de retardo óptico convencionais, que geralmente executam apenas funções fixas. Ele também sugere que diversas capacidades importantes podem ser eventualmente combinadas em um único circuito fotônico.

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Entre essas funções estão a sincronização de sinais, linhas de atraso ajustáveis, buffers ópticos e conversão de frequência.

Os mesmos princípios de design podem ser úteis para além dos sistemas CRIT. Os pesquisadores acreditam que a abordagem pode ser aplicada a uma vasta gama de circuitos fotônicos baseados em ressonadores, possivelmente servindo como base para tecnologias de processamento de sinais ópticos mais adaptáveis.

Benefícios potenciais para IA e centros de dados

Se a tecnologia for comercializada, um único chip óptico programável poderá executar diversas tarefas, incluindo o controle da velocidade do sinal e a alternância entre diferentes funções.

Nesse sentido, o chip poderia operar de forma similar a um sistema definido por software, com seu comportamento ajustado de acordo com as necessidades variáveis.

Essa flexibilidade pode auxiliar os centros de dados e os servidores de inteligência artificial a processar informações com maior eficiência, resultando na redução do consumo de energia.

A integração de múltiplas funções de processamento de sinal em um único chip também poderia tornar os equipamentos de comunicação óptica e os sistemas de sensores mais compactos e menos caros.

A longo prazo, a tecnologia poderá apoiar setores que dependem de processamento de informações extremamente rápido, como direção autônoma, comunicações de próxima geração e tecnologias quânticas.

Pesquisadores planejam sistemas fotônicos programáveis de maior porte

O professor Namkyoo Park, coautor correspondente do estudo e professor da Universidade Nacional de Seul, declarou: “Esta pesquisa é significativa porque propõe um novo princípio de design que permite que o fluxo de luz dentro de circuitos fotônicos integrados seja reconfigurado conforme necessário, aumentando consideravelmente a flexibilidade do projeto. Planejamos expandir essa tecnologia para circuitos fotônicos integrados programáveis em larga escala, baseados em fotônica de silício e tecnologias de IA fotônica.”

Os co-primeiros autores, Dr. Seungkyun Park e o estudante de doutorado Beomjoon Chae, que lideraram a estrutura teórica e a análise numérica, acrescentaram: “Por meio deste estudo, percebemos que reinterpretar a física convencional dos ressonadores fotônicos a partir de uma perspectiva diferente pode servir como ponto de partida para a descoberta de novas funcionalidades em circuitos integrados fotônicos. Planejamos desenvolver ainda mais esta pesquisa visando a implementação prática em dispositivos e a validação experimental.”

O Dr. Seungkyun Park é afiliado ao Centro InnoCORE PICORE do KAIST e atualmente conduz pesquisas sobre inteligência artificial fotônica e óptica quântica no Laboratório de Sistemas Fotônicos da Universidade Nacional de Seul.

O estudante de doutorado Beomjoon Chae está desenvolvendo pesquisas sobre circuitos fotônicos integrados programáveis no Laboratório de Sistemas de Ondas Inteligentes da SNU (Universidade Nacional de Seul).

A pesquisa recebeu apoio do Ministério da Ciência e TIC por meio do programa Centro de Pesquisa Inovadora (IRC), do programa Laboratório de Pesquisa Básica (BRL) e do Programa de Jovens Pesquisadores.