Los chips que procesan datos con luz en lugar de electricidad existen desde hace décadas. Se usan en comunicaciones de fibra óptica de alta velocidad, en sensores para vehículos autónomos y en aceleradores de hardware para aprendizaje automático. El problema siempre fue el mismo: son rígidos. Cada aplicación requería un diseño de circuito distinto, fabricado específicamente para ese uso, sin posibilidad de modificarse después. Y además, consumían energía de forma continua aunque no estuvieran haciendo nada.
Un equipo de investigadores del MIT y la Universidad de Washington acaba de publicar en la revista Science Advances un chip que resuelve los dos problemas al mismo tiempo.
Qué es el NEO-PGA y qué lo hace diferente
El chip se llama NEO-PGA, sigla de Nonvolatile Electro-Optically Programmable Gate Array, que en términos prácticos significa algo así como «arreglo de compuertas ópticas reprogramables eléctricamente y sin consumo en reposo». El nombre es técnico, pero la idea central es accesible: es un circuito fotónico, es decir, uno que usa luz para procesar y transmitir información, que puede modificarse después de fabricado y que mantiene su configuración sin necesidad de estar conectado a una fuente de energía permanente.
Esa segunda parte es clave. Hasta ahora, las celdas ópticas programables requerían alimentación eléctrica constante incluso en estado pasivo, lo que encarecía la operación y complicaba la integración de estos circuitos en sistemas de alto rendimiento. El NEO-PGA resuelve eso utilizando materiales de cambio de fase, un tipo de material que puede alternar entre estados físicos distintos y retener esa configuración de forma estable sin energía continua. El principio es similar al que se usa en los discos CD y DVD.
Quiénes lo desarrollaron y cómo se fabricó
El proyecto fue liderado por el profesor Arka Majumdar de la Universidad de Washington, y el autor principal del estudio es Rui Chen, investigador postdoctoral del MIT. El equipo tardó cuatro años en desarrollar y probar el chip, que fue fabricado en el Washington Nanofabrication Facility utilizando procesos industriales estándar sobre obleas de silicio suministradas por Intel Corporation.
Ese detalle de fabricación no es menor: significa que el chip no requiere infraestructura de producción especial o experimental. Puede hacerse con la misma maquinaria que ya existe en la industria de semiconductores, lo que facilita enormemente una eventual escala comercial.
Chen describió el alcance del avance en términos directos: el chip podría ayudar a acelerar el ciclo de prototipado y reducir el consumo de energía en aplicaciones de computación de inteligencia artificial. Y añadió que el estudio demuestra por primera vez que estas clases de circuitos ópticos pueden ser controladas por señales eléctricas de forma confiable y muy precisa.
Por qué importa la reprogramabilidad
En la electrónica convencional, los FPGA (Field-Programmable Gate Arrays) son circuitos integrados que pueden reconfigurarse después de fabricados, lo que los hace muy valiosos para prototipado y aplicaciones que cambian con el tiempo. Son, en esencia, chips de propósito general que pueden especializarse para distintas tareas según se necesite.
El NEO-PGA lleva esa lógica al mundo óptico. Antes de este desarrollo, los circuitos fotónicos carecían de esa flexibilidad: cada aplicación —comunicaciones, sensores, aceleradores de IA— requería un diseño diferente y un proceso de fabricación distinto. Ahora, con un chip reprogramable eléctricamente, es posible adaptar el mismo hardware a distintos usos, reduciendo tiempos y costos de desarrollo.
Los materiales de cambio de fase que usa el NEO-PGA también resuelven problemas anteriores de pérdida óptica y limitaciones de precisión que habían frenado el desarrollo de circuitos ópticos programables en investigaciones previas.
Las aplicaciones previstas y los próximos pasos
El equipo identificó un espectro amplio de usos posibles: desde procesamiento de información y sistemas de imagen hasta redes neuronales para inteligencia artificial, conmutadores ópticos en centros de datos e instrumentos de detección óptica. El siguiente paso es someter al chip a pruebas en aplicaciones funcionales reales, no solo en condiciones de laboratorio.
Entre las metas declaradas está la construcción de un sistema optoelectrónico de mayor escala, donde el NEO-PGA interactúe con una placa de control eléctrico y algoritmos automatizados para mejorar la adaptabilidad y el control del sistema completo. Chen, que prevé continuar su colaboración con Majumdar entre el MIT y la Universidad de Washington, señaló que la velocidad y resistencia de los materiales de cambio de fase son los factores que determinarán el tipo y la variedad de aplicaciones industriales o científicas que el chip pueda alcanzar.
La síntesis que ofrece el investigador es concreta: el chip constituye una plataforma poderosa para el avance de la optoelectrónica porque permite sistemas de mayor escala, no requiere esquemas de control complicados y elimina el consumo de energía estática. Esos tres factores combinados, sostiene, allanan el camino a sistemas ópticos escalables que podrían reducir el consumo energético y abaratar el costo de las aplicaciones tecnológicas avanzadas, incluyendo la inteligencia artificial.
