В Университете Юты создали плащ-невидимку для фотонных чипов
Dan Hixson/University of Utah College of Engineering
От мантии-невидимки Гарри Поттера до ромуланского скрывающего устройства, которое делало военный корабль невидимым во вселенной Star Trek, магия невидимости оставалась результатом фантазии писателей-фантастов и мечтателей. Американские ученые решили исправить этот досадный факт и создали «мантию-невидимку» для фотонного процессора.
Профессор кафедры электроники и вычислительной техники Университета Юты Раджеш Менон и его команда разработали маскирующий барьер для микроскопических фотонных интегрированных устройств — стандартных блоков фотонных компьютерных микросхем, которые работают на импульсах света вместо электрического тока — чтобы в будущем сделать чипы меньше, быстрее и потребляющими намного меньше энергии.
Будущее компьютеров, дата-центров и мобильных устройств будет включать в себя фотонные процессоры, в которых данные будут курсировать по кругу и обрабатываться квантами света вместо электронов. Преимущество фотонных чипов перед современными кремниевыми заключается в быстроте и потреблении меньшего количества энергии. Следовательно, и тепла они выделяют меньше. В таком процессоре можно разместить миллиарды фотонных блоков, каждый из которых будет выполнять определенную функцию по аналогии с миллиардами транзисторов в современных кремниевых чипах. Например, одна группа блоков микросхемы будет выполнять вычисления, другая — обработку данных и так далее.
Однако существует проблема: если два фотонных блока находятся слишком близко друг к другу, они не будут работать, так как утечка света между ними приведет к «перекрестным помехам», сродни радиопомехам. Если разместить их на определенном расстоянии, проблема будет решена, но в конечном счете получится процессор большого размера.
Так Менон и его команда обнаружили, что можно поставить специальный кремниевый нано-барьер между двумя фотонными блоками, который работает как «плащ» и «обманывает» один, скрывая от другого. «Мы использовали принцип, аналогичный мантии-невидимке Гарри Поттера. Свет, который попадает на одно устройство, перенаправляется обратно, имитируя отсутствие «соседа». Это похоже на барьер — он направляет свет назад в исходное устройство. Он вводит в заблуждение, что с другой стороны ничего нет» — отмечает Раджеш Менон.
Из этого можно сделать вывод, что миллиарды фотонных блоков могут быть помещены в один кристалл. Поскольку фотонные чипы используют для передачи данных фотоны вместо электронов, потенциально они могут потреблять от 10 до 100 раз меньше энергии. Такие процессоры целесообразно использовать в серверах дата-центров, аналогичных тем, которые принадлежат компаниям-гигантам вроде как Google и Facebook, поскольку они потребляют огромное количество электроэнергии. Согласно исследованию, проведенному Национальной лабораторией имени Лоуренса в Беркли, только ЦОДы потребляли 70 миллиардов киловатт-часов в 2014 году, что составляет 1,8% от общего объема потребления электроэнергии в США. По прогнозам экспертов, к 2020 году общее потребление возрастет еще на 4%.
Сегодня фотонные процессоры используются в основном в высококлассной военной технике. Менон предполагает, что такие же чипы в течение нескольких лет будут использоваться в центрах обработки данных. Он также считает, что его разработка поможет решить глобальные экологические проблемы: «Пройдя путь от электроники до фотоники, мы сможем сделать компьютеры гораздо более эффективными и в конечном счете оказать большое влияние на выбросы углерода и энергетическое потребление для всех видов устройств. Сейчас много людей пытаются решить эту проблему».
Год назад команда ученых под руководством Раджеша Менона разработала сверхкомпактный светоделитель — самое маленькое устройство, из когда-либо созданных для деления световых волн на два отдельных потока информации. Его размер составляет всего 2,4×2,4 микрон. Это примерно 1/50 ширины человеческого волоса и близко к пределу физических возможностей миниатюризации подобных устройств. Ранее самым маленьким устройством такого типа считался светоделитель размером более 100×100 микрон.
Это изобретение послужило определенным толчком к созданию быстрых фотонных чипов. Фотоника может в миллион раз увеличить мощность и скорость машин: суперкомпьютеров, серверов дата-центров и специализированных устройств, систем автопилота в автомобиле и технологии обнаружения объектов в беспилотниках. В конечном счете она должна добраться до потребительских девайсов — домашних компьютеров и смартфонов, а также улучшить приложения: от игр до потокового видео. Первые суперкомпьютеры на основе кремниевой фотоники сейчас находятся на стадии разработки в таких компаниях, как Intel и IBM. В них будут использоваться гибридные чипы, частично состоящие из традиционных кремниевых элементов, совместно с новыми — фотонными.
Российские ученые также стараются не отставать от своих западных коллег в области разработки фотонных устройств. В 2015 году исследователи из МГУ в составе группы зарубежных ученых создали переключатель оптических импульсов. Диск диаметром 250 нанометров способен работать за время, исчисляемое фемтосекундами (1 фемтосекунда представляет собой одну миллионную долю от одной миллиардной доли секунды).
Научная статья опубликована в журнале Nature Communications 9 ноября 2016 года
DOI:10.1038/ncomms13126
