Да воссияет кремний

Фотоника, как наверняка уже известно нашим постоянным читателям, — чрезвычайно перспективное направление развития высоких технологий. Правда, поскольку переносчиками сигнала здесь выступают кванты света (инфракрасного, ИК, или же видимого), характерные размеры фотонных волноводов и логических схем значительно — не несколько десятичных порядков — превосходят те, что типичны для современных кремниевых электронных контуров. А с точки зрения крайне ресурсоёмких вычислений, необходимых для тренировки и инференса больших языковых моделей, это существенный минус: ведь работа глубоких плотных нейросетей в сухом остатке сводится к операциям матричного умножения сотен миллиардов, если не триллионов, операндов. И если каждое перемножение сигнала на весовой коэффициент в очередном нейросетевом слое производить не в оперативной памяти классического компьютера, а на отдельном физическом узле фотонного вычислителя, занимаемый таким вычислителем объём — допуская, что исполняться там будет современная большая языковая модель (БЯМ) вроде GPT-5, — превзойдёт все разумные пределы. Вдобавок для изготовления даже таких крупномасштабных (по меркам современной микроэлектроники) контуров придётся разрабатывать, пусть и не с нуля, полный технологический цикл. Ведь кремний, технологии обработки которого доведены современной микроэлектроникой едва ли не до совершенства, — непрямозонный полупроводник, и потому не лучшим образом подходит для упорядочения и обработки потоков даже ИК-излучения, не говоря уже об оптическом.

Дорого, долго, громоздко — такие эпитеты в итоге характеризуют работы по доведению до ума даже наиболее перспективных из действующих ныне прототипов фотонных вычислителей. Почему же продолжающие совершенствовать их исследователи продолжают сохранять оптимизм — особенно в отношении такого тупикового, как казалось совсем ещё недавно многим экспертам, направления, как кремниевая фотоника?

Художественное представление металлических наночастиц, помогающих атомам кремния преодолевать присущую этому материалу непрямозонность, вкупе с пояснительным графиком (источник: Nano Letters)

⇡#Сейчас здесь будет ярко

Напомним вкратце (более подробно мы разбирали это прежде), в чём основная загвоздка с кремнием как с основным конструкционным элементом для формирования фотонных вычислительных контуров. Непрямозонность этого широко применяемого в микроэлектронике полупроводника ведёт к дополнительным энергетическим и временным потерям при переходе электрона между свободным и валентным состояниями с испусканием фотона, что делает кремниевые источники когерентного излучения (лазеры) крайне неэффективными. Для формирования квантово-оптических интегральных микросхем (КОИС; англоязычный термин — photonic integrated circuits, PIC) приходится поэтому применять гибридную технологию. Сами волноводы и логические контуры получают методами классической фотолитографии, используя в качестве основы пластины кремния-на-изоляторе (silicon on insulator, SOI), а вот мини- и нанолазеры для подачи физических носителей информации — собственно, фотонов — на эти контуры приходится изготавливать отдельно из более подходящих (прямозонных) материалов. В результате КОИС выходят не только крупнее сверхбольших интегральных схем (СБИС) с электронами в качестве носителей информации, но и непропорционально дороже в производстве. С учётом же того, насколько чувствительны современные БЯМ к себестоимости «железа», на котором исполняются, гибридные схемы априори проигрывают интегрированным монолитным. Использовать же прямозонные полупроводники ещё и для формирования волноводов и контуров значит, опять-таки, инвестировать огромные средства на протяжении десятков лет в развитие совершенно нового направления микропроцессорной отрасли — а этого в нынешних макроэкономических реалиях даже супердержава, не говоря о частных компаниях, позволить себе не сможет.

По этой причине именно кремниевая ветвь фотоники представляется всё-таки одним из наиболее перспективных путей: уж с этим-то химическим элементом, вторым по распространённости в земной коре, человечество вполне научилось работать за прошедшие полвека. И вот в апреле 2026 года исследователи из Калифорнийского университета в Ирвайне (UC Irvine) совершили прорыв, продемонстрировав, что кремниевые структуры всё-таки способны эффективно — то есть без обусловленных непрямозонностью этого материала масштабных тепловых потерь — излучать свет, причём для этого даже нет необходимости каким-то особенно изощрённым способом менять состав или структуру самого популярного у чипмейкеров полупроводника. Важно, что излучать достаточно широкополосный свет исследователи под руководством доктора Алексея Носкова (Dr. Aleksei I. Noskov) заставили самый обыкновенный объёмный кремний с кубической кристаллической структурой, а не какие-то тонкие плёнки или хитрые пространственные конфигурации атомов Si.

(a) Схема оптических переходов в объёмном кремнии. Подобно процессам поглощения, переходы из нижней части зоны проводимости требуют участия фононов для сохранения импульса, что приводит к изначально низкой эффективности излучения объёмного кремния. (b) Спектр излучения объёмного кремния, показывающий вклад рамановского рассеяния в видимом диапазоне (синий) и фононно-усиленное излучение из нижней части зоны проводимости в ближнем инфракрасном диапазоне (красный) (источник: Nano Letters)

Пояснить, почему непрямозонность кремния снижает его эффективность как излучающей свет среды, можно следующим образом. Импульс кванта электромагнитного излучения в оптическом или ИК-диапазоне не слишком велик по сравнению с тем, которым обладает движущийся по (полу)проводнику внутри СБИС электрон: скорость того много меньше скорости света, зато он обладает массой — и в результате импульс оказывается ощутимо больше, чем у безмассового фотона. Радиационная же рекомбинация — тот самый переход электрона между свободным и валентным состояниями с испусканием фотона, о котором мы уже говорили, — происходит с непременным соблюдением законов сохранения как энергии, так и импульса. Разница же между импульсами только что бывшего свободным электрона и фотона, испущенного атомом кремния после рекомбинации, порождает фонон — то бишь возбуждает колебания кристаллической решётки, в итоге ведущие к нагреву образца.

Интересно, что в 2024 г. группа исследователей под руководством Сергея Харинцева (Sergey S. Kharintsev) из Института физики Казанского (Приволжского) федерального университета (в которую входил тогда, среди прочих, и Алексей Носков) и Тель-Авивского университета, координируемая представителями всё того же UC Irvine, показала, что естественное ограничение на предельную величину импульса фотона можно существенно ослабить, если локализовать свет в чрезвычайно малом пространстве — буквально нанометрового масштаба. Дело в том, что на таких расстояниях начинает проявлять себя принцип неопределённости Гейзенберга — в данном случае, запрет на одновременное точное определение пространственных координат и величины импульса квантового объекта. И если фотон оптического или ИК-излучения, сам по себе не самый высокоэнергетичный, попадает в наноловушку с характерными размерами в считанные нанометры, т. е. волей-неволей фиксирует своё положение в пространстве с высокой определённостью, распределение его импульса в полном соответствии с правилом неопределённости существенным образом расширяется — до трёх десятичных порядков величины. Это вовсе не значит, будто часть фотонов видимого света волшебным образом трансформируется в ультрарентгеновские: речь идёт именно о вероятностном распределении спектра, обусловленном квантовыми эффектами. И всё же полученная таким образом прибавка к классическому (фиксируемому в открытом пространстве, где квантовые свойства частиц себя не проявляют) импульсу вполне реальна и измерима, — она позволяет фотонам практически сравняться по этому показателю со свободными электронами в кремнии, таким образом компенсируя присущую материалу непрямозонность.

Характеристики и визуализация поверхностей пластин, покрытых частицами золота характерными диаметрами 15 нм (b), 5 нм (c) и 1,2 нм (d): (1) карты АСМ (масштабная линейка 400 нм); (2) оптические изображения в светлом поле с использованием белого света; (3) карты Рамана на фононной линии кремния 521 обратных сантиметров; (4) карты ФЛ при 630 нм; (5) карты ФЛ при 1000 нм, представляющие фононно-опосредованную люминесценцию кремния из нижней части зоны проводимости в точке X. Масштабная линейка для всех оптических изображений составляет 5 мкм. Примечание: карты ФЛ при 630 нм для образцов 15 нм (b4) и 5 ​​нм (c4) увеличены в 15 раз. (источник: Nano Letters)

Группа под руководством доктора Носкова нанесла на кремниевую подложку сверхмалые металлические частицы с характерными размерами менее 2 нанометров, зазоры между которыми и сформировали те самые квантовые ловушки, где импульс фотонов благодаря принципу неопределённости приобретает немыслимый прежде вероятностный разброс. И сразу же обнаружился эффект: под воздействием направленного на образец пучка самого обычного света кремниевая поверхность принялась интенсивно излучать в ответ фотоны в крайне широком диапазоне частот — от видимого до ближнего ИК. Была экспериментально достигнута эффективность излучения на уровне прямозонных полупроводников — невероятный результат для самого обыкновенного объёмного кремния. Получается, взаимодействие света и материи можно организовывать теперь совершенно иным, ранее недоступным инженерам, способом — с опорой не на фиксированную электронную структуру материала, а на управление импульсом квантов света.

Теперь для непрямозонных полупроводников становятся возможными «диагональные» переходы (в координатах энергии и импульса; см. поясняющую диаграмму в нашей предыдущей статье о квантовой фотонике), что, в частности, для объёмного кремния открывает новый канал радиационной рекомбинации с минимумом тепловых потерь. Свет теперь может напрямую контролировать электронные переходы в материалах — а это, по заявлению исследователей из UC Irvine, создаёт основу для развития полностью интегрированной кремниевой фотоники, позволяя формировать источники излучения, детекторы и электронные компоненты на единой платформе. Причём останавливаться на кремнии нет нужды: управляемые импульсом фотонные состояния (momentum-engineered photonic states) применимы и к другим материалам. По сравнению с подходом, подразумевающим появление у привычных веществ новых за счёт изменения их геометрии (двумерные полупроводниковые материалы, скажем), контроль над импульсом фотонов представляется более экономически эффективным путём проектирования оптоэлектронных устройств. Бесспорно, здесь необходимы ещё долгие годы исследований и экспериментов: мало ведь просто заставить кремний излучать эффективно, надо ещё позаботиться об упорядочении этого излучения и выстроить всю соответствующую схемотехнику для организации логических контуров, которые и будут производить собственно фотонные вычисления. Но перспектива задействовать для этой цели весь инженерный и технологический опыт, накопленный к настоящему времени кремниевой полупроводниковой индустрией, настолько заманчива, что преодоление нынешнего объективного разрыва в эффективности между электроникой и фотоникой именно таким способом представляется, пожалуй, наиболее реалистичной.

Сверху: пакет синусоидальных волн с различными частотами; снизу: тот же пакет, но уже в координатах «частота — интенсивность», как иллюстрация того, почему именно группу волн с близкими частотами называют гребёнкой (источник: NIST)

⇡#Нужно больше фотонов

Научный, как и инженерный, поиск никогда не однонаправлен: наряду с весьма перспективной темой, обещающей реальные результаты лишь в отдалённом будущем, непременно будут развиваться ещё несколько — с прицелом поближе, но с куда бóльшими шансами на успешную реализацию. Кремниевая фотоника — не исключение: пока кремниевые источники света с управляемыми импульсом фотонными состояниями находятся на самых ранних стадиях лабораторных изысканий, выполненные по более привычным технологиям серийные (пусть даже малосерийные) устройства этого рода с подсветкой внешними лазерами совершенствуются поступательно.

Так, группа профессора Михаль Липсон (Michal Lipson) из Колумбийского университета опубликовала в октябре 2025 года в Nature Photonics отчёт о значительном, по словам самих исследователей, прорыве по направлению организации той самой внешней подсветки для кремниевых КОИС. Команда создала источник, излучающий частотную гребёнку высокой мощности (high-power frequency comb, то есть набор фотонных потоков, равномерно распределённых по частотам, получаемый от единого лазера за счёт эффекта Керра с применением миниатюрных резонаторов), интегрированный непосредственно на кремниевый фотонный чип. Таким образом удалось избавиться от необходимости использовать несколько лазеров для генерации различных длин волн, а заодно прибавить собственно источник излучения к уже реализуемым на такого рода чипах ключевым компонентам оптических схем — волноводам, модуляторам и фотодетекторам. Группа профессора Липсон применила многомодовый лазерный диод: действительно мощный оптический источник, но, к сожалению, не отличающийся высокой стабильностью. Чтобы скомпенсировать этот недостаток диода, исследователи стабилизировали лазерные лучи, пропуская из через кремниевые структуры — сформированные, разумеется, на той же самой подложке, что и прочие узлы КОИС. Уже после стабилизации исходный высокоинтенсивный поток фотонов разделяется на ту самую гребёнку, давая возможность использовать разные частоты в пределах одной и той же оптической схемы для решения разных задач. Понятно, что сам многомодовый диод при таком подходе по-прежнему приходится создавать отдельно от КОИС, но уже тот факт, что он в данном случае требуется один, и что разночастотные пучки квантов света формируются всё-таки на самой микросхеме, упрощает и удешевляет создание существенно многокомпонентных кремниево-фотонных вычислителей.

Пока важнейшее приложение квантовой фотоники — цифровые коммуникации, но время интенсивных вычислений на этой аппаратной основе постепенно приближается (источник: Imec)

В ноябре того же года Ян Цзюньхун (Yang Junhong), генеральный директор Шэньсийского института передовых оптоэлектронных технологий, сообщил, что его организация готова предоставлять партнёрам услуги по НИОКР и пилотному производству оптоэлектронных и кремниевых фотонных чипов на основе созданной в этом институте интеграционной платформы. Платформа подразумевает использование в качестве подложки стандартных 8-дюймовых в диаметре кремниевых пластин и применение 130-нм технологического процесса на оборудовании известной бельгийской компании Imec. Смысл предлагаемой интеграции в том, что для создания КОИС по внешним чертежам (либо после совместной с Шэньсийским институтом разработки) будет задействован отработанный и отлаженный исследователями комплекс из более чем 60 ключевых инструментов и систем — начиная от оборудования для фотолитографии и заканчивая испытательными стендами.

Самое же, пожалуй, занимательное в этом сообщении — приведённый ближе к концу скромный перечень городов КНР, в которых «уже работают аналогичные пилотные линии по производству кремниевой фотоники», причём с прицелом на гетерогенную интеграцию, т. е. на совместное использование фотонных и полупроводниковых микросхем в составе единой системы: Ухань, Пекин, Шанхай и Чунцин. Поскольку освоение китайскими товарищами наиболее передовых микроэлектронных производств по понятным причинам буксует, вполне может статься, что как раз для них КОИС, не нуждающиеся в производственных нормах существенно менее 90 нм (почему так — мы уже подробно разбирали), станут более привлекательным объектом для инвестиций — чем попытка воспроизвести суперсовременные EUV-фотолитографы. Да, применять фотонные вычислители для веб-сёрфинга или запускать на них Crysis вряд ли кому-то придёт в голову, но тренировать с их помощью триллионные по числу рабочих параметров БЯМ (а, может, и инференс производить) наверняка окажется дешевле, чем применять для той же цели доступные в КНР полупроводниковые серверные вычислители.

Кремниево-фотонные микросхемы для оптических межсоединений с пропускной способностью до 400 Гбит/с в дата-центрах уже изготавливают серийно на 300-мм пластинах (источник: Imec)

Но, конечно же, не одна только Поднебесная занимается развитием канонической (не полагающейся на источники света с управляемыми импульсом фотонными состояниями) кремниевой фотоники. В тех же США, которые пока без особого труда удерживают пальму глобального первенства как по количеству дата-центров, так и по насыщенности их ИИ-вычислителями на традиционных СБИС, проблемы возникают уже на уровне обмена данными внутри ЦОДов. Максимально широкую полосу пропускания здесь обеспечивают оптические каналы связи, которые за последний десяток с небольшим лет проделали впечатляющий путь — от 10 и 25 Гбит/с, чего было достаточно для распределенных корпоративных рабочих нагрузок и веб-приложений, через 40 и 100 Гбит/с к перспективным 200 и 400 Гбит/с, которые стали необходимы для обработки по-настоящему больших данных и требовательных приложений. Теперь, когда рабочие нагрузки ИИ генерируют огромные информационные потоки, идёт речь о внедрении оптических каналов внутри ЦОДов и на 800 Гбит/с. Недавно несколько компаний, включая AMD, Broadcom, экстремистскую Meta✴*, Microsoft, Nvidia и OpenAI, взялись за создание отраслевого консорциума OCI MSA (optical compute interconnect multi-source agreement). Цель этой инициативы — выстроить под управлением тех гиперскейлеров, что сильнее прочих нуждаются в эффективных высокоскоростных межсоединениях, открытую экосистему, которая обеспечивала бы развитие многовендорной цепочки поставок для таких межсоединений — с особым прицелом на их дальнейшую масштабируемость. Консорциум уже опубликовал небросок спецификации оптического интерфейса 200G, разработанного специально для крупных сетей ИИ.

Тем временем по состоянию на конец 2025 г. по меньшей мере два крупных разработчика, Imec и NLM Photonics, заявляют, что уже вот-вот готовы будут предложить рынку оптические линии связи со скоростью передачи данных в 400 Гбит/с — причём, что особо подчёркивается, как раз на основе кремниевых технологий. Современные серийные трансиверы, которые преобразуют электронные биты в потоки фотонов и обратно, оперируют чаще всего с восьмижильными оптоволоконными кабелями и обеспечивают типичную скорость передачи данных 100−200 Гбит/с на канал. Imec делает ставку на кремний-германиевый электроабсорбционный модулятор, который при подаче напряжения увеличивает светопоглощающую способность полупроводника — тем самым достигая показателя 448 Гбит/с на канал уже для первых лабораторных образцов (потенциал развития этой технологии ещё предстоит изучить). У NLM Photonics подход иной: гибридная конструкция из кремния и органических материалов. Здесь применяются модуляторы на основе интерферометров Маха-Цендера, электрическими средствами меняющие оптические свойства каналов и обеспечивающие скорость передачи данных 224 Гбит/с на канал с перспективой дальнейшего наращивания до 400 Гбит/с. Применение органической схемотехники позволяет, по заверениям разработчиков, на один-полтора десятичных порядка повысить эффективность работы модуляторов по сравнению с теми, что строятся на традиционных КОИС, — а это в масштабах гиперскейлерского ЦОДа означает огромную экономию энергии.

Представленный Imec в конце 2025 г. кремниевый электроабсорбционный модулятор обеспечивает, по заявлению компании, скорость передачи данных до 448 Гбит/с на линию — но, поскольку система кремниево-фотонная, отдельные её элементы по сравнению с «2-нм» чисто электронными схемами весьма макроскопичны (источник: Imec)

Кремниевая фотоника деятельно развивается сразу по нескольким направлениям, и на неё уже возлагают большие надежды: по оценке DataM Intelligence, объём этого сегмента мирового ИТ-рынка достиг 2,62 млрд долл. США в 2025 году и, как ожидается, за следующие 10 лет вырастет до 34,34 млрд долл., демонстрируя среднегодовые темпы роста около 30%. Столь бурное развитие, подчёркивают аналитики, обусловлено увеличением потребности не столько в обмене большими данными внутри дата-центров (а тут речь уже идёт о скоростях в 1,6 Тбит/с на канал), сколько в обработке этих самых данных вычислительными системами, базирующимися на КОИС. Возможно, как раз к середине следующего десятилетия два ключевых направления, по которым прогрессирует кремниевая фотоника — передача данных и собственно вычисления, — сойдутся в одной точке. Породив, наконец, производящую расчёты «со скоростью света» машину, для изготовления важнейших компонентов которой не придётся разрабатывать, а после строить с нуля всю производственную инфраструктуру — повторяя тем самым путь, однажды уже пройденный для кремниевых микропроцессорных технологий. Возникает, правда, вопрос, на каком уровне миниатюризации окажутся к тому моменту сами эти технологии: техпроцесс Intel «10A» ориентировочно запланирован к внедрению в 2028−2029 гг., а что дальше — пока не ясно. Будем надеяться, к 2035 г. гиперскейлеры получат возможность выбирать, на какой аппаратной основе им запускать ИИ-задачи — на СБИМ или на КОИС. В проигрыше от этого точно никто не окажется!