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.

Dan Hixson/University of Utah College of Engineering

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 2,4х2,4 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 100х100 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