Теги → фотон
Быстрый переход

Учёные создали электрооптическое наноустройство для быстрой памяти и процессоров

Первое в мире интегрированное наноразмерное устройство, программируемое с помощью фотонов или электронов, было разработано учёными исследовательской группы профессора Хариша Бхаскарана (Harish Bhaskaran) из Оксфордского университета в сотрудничестве с исследователями из Мюнстерского и Эксетерского университетов.

Команда создала первое в своём роде электрооптическое устройство, которое позволяет соединить области оптических и электронных вычислений. Оно, как сообщается, является элегантным решением для создания более быстрой и более энергоэффективной компьютерной памяти и процессоров.

Вычисления со скоростью света — заманчивая перспектива, и с этими наработками подобное может стать реальностью. Хотя ранее было продемонстрировано использование света для выполнения различных вычислительных процессов, до сих пор не было компактного устройства для взаимодействия с электронной архитектурой традиционных компьютеров. Несовместимость электрических и основанных на свете вычислений проистекает из принципиально различных объёмов взаимодействия электронов и фотонов — длина волны света намного больше, чем у электронов.

Чтобы преодолеть эту фундаментальную проблему, команда учёных придумала решение для ограничения света в наноскопических размерах — это подробно описано в статье «Устройства с фазовым переходом, плазменным наноразмерным усилением и двойной электрооптической функциональностью», опубликованной 29 ноября в Science Advances. Исследователи объединили концепции интегрированных технологий фотоники, плазмоники и электронной памяти, чтобы создать компактное устройство, которое может работать одновременно как оптическая и как электрическая память, а также выступать в качестве процессора. Информация может храниться и обрабатываться с использованием световых или электрических сигналов, или даже любой их комбинации.

«Это очень многообещающий путь развития для тех областей вычислений, где требуется высокая эффективность обработки», — считает один из авторов Николаос Фармакидис (Nikolaos Farmakidis) из Оксфордского университета. Другой соавтор, Натан Янгблад (Nathan Youngblood), продолжил: «Речь идёт, естественно, об искусственном интеллекте, где требования к высокопроизводительным вычислениям с низким энергопотреблением намного превышают наши текущие возможности. Считается, что сопряжение фотонных вычислений на основе света с электрическим аналогом является ключом к следующему этапу развития технологий CMOS».

Участвовавший в работе профессор Дэвид Райт (David Wright) из Эксетерского университета добавил: «Электронные и фотонные вычисления имеют свои преимущества и недостатки: возможно, используя подобные разработанным нами устройства, в конечном итоге мы можем получить лучшее из обоих миров, беспрепятственно работая в обеих областях».

Intel работает над оптическими чипами для более эффективного ИИ

Фотонные интегральные схемы или оптические чипы потенциально обладают множеством преимуществ по сравнению с электронными аналогами, такими как снижение энергопотребления и уменьшение задержки в вычислениях. Вот почему множество исследователей считают, что они могут оказаться крайне эффективны в задачах машинного обучения и создания искусственного интеллекта (ИИ). Компания Intel также видит большие перспективы для применения кремниевой фотоники в данном направлении. Группа её исследователей в научной статье подробно описала новые методы, которые могут приблизить оптические нейронные сети на шаг ближе к реальности.

Группа исследователей при поддержке Intel описала методы архитектурных решений, позволяющих использовать оптические чипы, без пост-настройки их в связи с неизбежными дефектами производства

Группа исследователей при поддержке Intel описала методы применения архитектурных решений, позволяющих использовать оптические чипы без потерь в производительности, несмотря на неизбежные дефекты производства

В недавней публикации в блоге Intel, посвящённому машинному обучению, рассказывается, как начинались исследования в области оптических нейронных сетей. Научные работы Дэвида Миллера (David A. B. Miller) и Майкла Река (Michael Reck) продемонстрировали, что тип фотонной цепи, известный как интерферометр Маха-Цендера (MZI), может быть сконфигурирован для выполнения перемножения матриц размером 2 × 2, при этом, если разместить MZI в треугольной сетке для перемножения больших матриц, можно получить схему, которая реализует алгоритм умножения матрицы на вектор — основное вычисление, используемое в машинном обучении.

Новое исследование Intel сосредоточилось на изучении того, что происходит при появлении различных дефектов, которым подвержены оптические чипы при производстве (поскольку вычислительная фотоника является аналоговой по своей природе), вызывающих различия в точности вычислений между разными чипами одного типа. Хотя подобные исследования уже проводились, в прошлом они были сосредоточены больше на оптимизации после изготовления для устранения возможных неточностей. Но данный подход имеет плохую масштабируемость, поскольку сети становятся всё больше в размерах, что приводит к увеличению вычислительной мощности, необходимой для настройки оптических сетей. Вместо оптимизации после изготовления Intel рассмотрела возможность единоразового обучения чипов перед изготовлением благодаря использованию устойчивой к помехам архитектуре. Эталонная оптическая нейронная сеть была обучена один раз, после чего параметры обучения были распределены по нескольким сфабрикованным экземплярам сети с различиями в их компонентах.

Команда Intel рассмотрела две архитектуры для построения систем искусственного интеллекта на базе MZI: GridNet и FFTNet. GridNet предсказуемо размещает MZI в сетке, а FFTNet размещает их в виде «бабочек». После обучения обеих в моделировании на эталонной задаче глубокого обучения распознаванию рукописных цифр (MNIST), исследователи обнаружили, что GridNet достигла более высокой точности, чем FFTNet (98 % против 95 %), но при этом архитектура FFTNet оказалась «значительно более надёжной». Фактически производительность GridNet упала ниже 50 % с добавлением искусственного шума (помех, имитирующих возможные дефекты про производстве оптических чипов), в то время как для FFTNet она оставалась почти постоянной.

Ученые утверждают, что их исследования закладывают основу для методов обучения искусственного интеллекта, которые помогут избавиться от необходимости тонкой настройки оптических чипов после их производства, экономя драгоценное время и ресурсы.

«Как и в любом производственном процессе, возникают определённые дефекты, которые означают, что между микросхемами будут небольшие различия, и они будут влиять на точность вычислений», — пишет старший директор группы продуктов Intel AI Казимир Вежински (Casimir Wierzynski). «Если оптические нейронные сути станут жизнеспособной частью аппаратной экосистемы искусственного интеллекта, им потребуется перейти на более крупные микросхемы и технологии промышленного производства. Наши исследования показывают, что выбор правильной архитектуры заранее может значительно увеличить вероятность того, что полученные микросхемы достигнут желаемой производительности даже при наличии производственных вариаций».

В то же время, пока Intel в основном проводит исследования, кандидат физико-математических наук из Массачусетского технологического института Ишен Шен (Yichen Shen) основал стартап Lightelligence, базирующийся в Бостоне, который привлёк венчурное финансирование на сумму 10,7 млн долларов США и недавно продемонстрировал прототип оптического чипа для машинного обучения, который в 100 раз быстрее, чем современные электронные чипы, а также на порядок снижает энергопотребление, что ещё раз наглядно демонстрирует перспективы фотонных технологий.

Достижение российских учёных поможет в создании оптических процессоров

Специалисты НИТУ «МИСиС» в составе международной научной группы сделали важное открытие, которое, как ожидается, поможет в разработке оптических процессоров для вычислительных систем будущего.

Учёные смогли увидеть внутреннюю структуру фотонных кристаллов, которые считаются идеальным материалом для управления световым лучом. Однако свойства таких кристаллов сильно зависят от структуры, что порождает проблему воспроизводимости: до сих пор никому не удалось создать два достаточно больших и абсолютно одинаковых фотонных кристалла.

«Дефекты двумерных фотонных кристаллов, которые состоят только из поверхности, учёным отследить удалось при помощи методов электронной микроскопии. А с объёмными фотонными кристаллами возникла проблема. Не существовало методики, которая бы позволила исследовать внутренности не обычных кристаллов, в которых упорядоченность возникала на уровне десятых нанометра, а в веществах, где порядок возникал на уровне десятков и сотен нанометров», — говорится в материалах НИТУ «МИСиС».

Для решения проблемы было решено использовать птихографию — недавно разработанную методику, суть которой заключается в просвечивании вещества особым рентгеновским излучением. Исследователям удалось показать, что существует метод неразрушающего анализа внутренней структуры материала, которую нельзя увидеть с использованием традиционных технологий.

А зная особенности структуры, можно понять логику, по которой меняется направление движения луча. Иными словами, теоретически становится возможным создание логических схем на основе фотонных кристаллов — микропроцессоров для оптического компьютера.

Более подробную информацию о работе учёных можно найти здесь

Начато создание первых в России микрофотонных приборов для космоса

Холдинг «Российские космические системы» (РКС), входящий в госкорпорацию Роскосмос, объявил о начале создания целевой нагрузки и служебных систем космических аппаратов на основе революционной технологии микрофотоники.

РКС

РКС

Фотонные технологии отличаются низкими энергопотерями при передаче сигналов. Они способны кардинально улучшить трансляцию, хранение и обработку информации. Ожидается, что в перспективе фотоника придёт на смену привычной сегодня микроэлектронике.

В области создания полезной нагрузки для космических аппаратов применение фотонных технологий позволит существенно расширить возможности нано- и микроприборов. К примеру, скорость приёма, обработки и передачи радио- и СВЧ-сигналов возрастёт от 20 до 200 раз по сравнению с нынешним уровнем. Кроме того повысится пропускная способность линий связи.

Более того, использование микрофотонных интегральных схем минимизирует количество внешних волоконно-оптических соединительных проводов, уменьшит общий размер и массу космической системы. При этом приборы нового поколения будут потреблять меньше энергии и в большей степени будут защищены от воздействия электромагнитных помех и космической радиации.

РКС

РКС

Применение новых технологий приведёт к появлению лазерных линий связи «спутник–спутник» и «спутник–Земля», оптических акселерометров и малогабаритных антенн из метаматериалов. Кроме того, фотоника позволит в полтора или даже два раза увеличить средний срок службы спутников на орбите.

Первые результаты в рамках нового проекта планируется получить уже в следующем году. Речь идёт о каналах связи «космос–космос» с дальностью передачи информации более 3000 км и скоростью более 10 Гбит/с. В дальнейшем эти значения планируется довести до 40 тыс. км и 100 Гбит/с. 

Российские учёные определили скоростной потенциал процессоров будущего

Исследователи из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ предложили модель, позволяющую рассчитать, насколько быстро можно передавать информацию внутри нанофотонных микропроцессоров.

Исследователи говорят, что даже частичная замена металлических соединений на чипе на плазмонные (нанофотонные) позволит существенно повысить производительность микропроцессоров. Но проблема заключается в затухании сигнала. В то же время при усилении плазмонных сигналов в полупроводниковых устройствах возникает фотонный шум. Он ведёт к ошибкам при передаче данных, что сильно снижает фактическую скорость передачи информации из-за необходимости использовать алгоритмы коррекции.

Российские учёные разработали теорию, позволяющую точно предсказывать шумы, возникающие при усилении фотонных и плазмонных сигналов. Специалисты подробно исследовали, как меняются характеристики шума и его мощность в зависимости от параметров плазмонного волновода с компенсацией потерь, а также показали, как можно понизить уровень шума для достижения максимальной пропускной способности такого нанофотонного интерфейса.

Оказалось, что в активном плазмонном волноводе размером лишь 200 × 200 нанометров можно эффективно передавать сигнал на расстояние до 5 миллиметров — это типичное значение для современных микропроцессоров. Причём скорость передачи информации будет превышать 10 Гбит/с на один спектральный канал (канал передачи информации, реализованный на фиксированной длине волны). Для сравнения: максимальная пропускная способность по электрическому соединению тех же размеров (по медной дорожке на чипе) примерно в 500 раз меньше — около 20 Мбит/с.

Более подробно с работой учёных можно ознакомиться здесь

Российские учёные на шаг приблизились к созданию фотонного компьютера

Команда российских исследователей предложила технологию, которая поможет в создании сверхбыстрых фотонных компьютеров.

По сути, фотоника является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны. Ожидается, что подобные технологии откроют путь к созданию систем для обработки огромных объёмов данных на высоких скоростях.

Концепция фотонного компьютера предусматривает использование особых оптических волноводов, в которых электромагнитная волна может распространяться только вдоль определённого направления. Однако существует сложность. Дело в том, что в волноводах на микроэлектронном уровне наблюдается потеря энергии, а значит и потеря сигнала, что сильно ограничивает на данный момент их применение.

Решением проблемы занимаются учёные из Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, Всероссийского НИИ автоматики им. Н.Л. Духова и МФТИ. Исследователи рассчитали модель оптической системы, в которой большие потери в волноводах компенсируются при помощи малого усиления.

Схематическое изображение системы двух волноводов с периодически изменяющимися параметрами (расстоянием между ними) / МФТИ

Схематическое изображение системы двух волноводов с периодически изменяющимся расстоянием между ними / МФТИ

Суть предложенного решения сводится к периодическому изменению расстояние между двумя волноводами. Это позволяет «настроить» перетекание энергии между ними так, что электромагнитные поля будут усиливаться при распространении по волноводам даже в том случае, когда потери превосходят усиление.

Открытый феномен позволяет практически без потерь передавать сигнал, что являлось до сих пор нерешённой проблемой в плазмонных и нанооптических устройствах.

Помимо потерь в волноводах при увеличении амплитуды сигнала проявляются нелинейные эффекты, которые замедляют и ограничивают рост амплитуд. Это означает, что применяя предложенную схему, можно создать устойчивый постоянный сигнал, который будет надёжно передавать информацию в фотонных схемах и в будущем может использоваться для создания фотонных компьютеров .

Более подробно об исследовании российских учёных можно узнать здесь

NASA представило фотонный модем для космической связи

Фотонной электронике прочат большое будущее, а последние достижения учёных позволяют верить в то, что все эти разработки не останутся лишь на бумаге и в стенах лабораторий. NASA также заинтересовалось фотонными технологиями. Здесь разрабатывается модем с интегрированными фотонными компонентами, который планируется использовать для высокоскоростных лазерных коммуникаций между Землёй и космическими кораблями на низких околоземных и геосинхронных орбитах.

НАСА

НАСА

В рамках проекта Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) специалисты NASA тестируют фотонные технологии связи, но для внедрения таких коммуникаций потребуется несколько лет. По оценкам NASA, фотонный модем будет запущен на МКС не ранее 2020 года. Устройство по габаритам будет сравнимо с мобильным телефоном (сейчас прототип занимает место двух тостеров). При этом пропускная способность такого модема в 10–100 раз превысит современные технологии, что позволит передавать больше контента с космоса, в том числе высококачественное видео.

НАСА

НАСА

Отметим, это не первая попытка NASA совершить прорыв в лазерных коммуникациях. В 2013 году она продемонстрировала передачу данных со скоростями 622 Мбит/с (нисходящий поток) и 20 Мбит/с (восходящий поток). Это был больше исследовательский проект. Теперь же NASA нацелено в жёсткие сроки внедрить все наработки в коммерческий продукт.

Российские учёные создали сверхбыстрый фотонный переключатель для компьютерных устройств

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова сообщил о разработке технологии, которая в перспективе может привести к появлению компьютерных устройств нового поколения: российские исследователи в составе международной группы создали сверхбыстрый фотонный переключатель, работающий на кремниевых наноструктурах.

Разработка относится к фотонике. По сути, фотоника является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны. Главное их преимущество в том, что они практически не взаимодействуют друг с другом и со средой, в которой распространяются, и потому более предпочтительны для передачи информации, чем электроны.

Однако существует сложность. В то время как основа современных электронных устройств — транзисторы — имеют нанометровые размеры, у прототипов оптических транзисторов габариты исчисляются микрометрами. Структуры же, способные в этом смысле конкурировать с электроникой, такие, как плазмонные наночастицы, отличались низкой эффективностью и большими потерями. Так что ситуация с компактностью для фотонных схем представлялась тупиковой.

Но три года назад был открыт важный эффект: исследователи обнаружили в наночастицах кремния сильные резонансы в видимой области спектра — так называемые магнитные дипольные резонансы. Данный резонанс характеризуется сильной локализацией световых волн на субволновых масштабах внутри наночастиц. Как выяснилось, открытие может лечь в основу компактного и очень быстрого фотонного переключателя.

Наночастицы удалось изготовить в Австралийском национальном университете методом электронно-лучевой литографии с последующим плазменным травлением. Полученные образцы были направлены в Москву, и все последующие эксперименты с ними проводились на физическом факультете МГУ в лаборатории нанооптики и метаматериалов.

В результате, учёные создали прибор, представляющий собой диск диаметром в 250 нанометров, способный переключать оптические импульсы за время, исчисляемое фемтосекундами (10−15 с). Такое время срабатывания позволит в перспективе создавать устройства передачи и обработки информации, функционирующие на скоростях в десятки и сотни терабит в секунду.

Работа созданного учёными МГУ фотонного переключателя сводится к отправке на него двух лазерных импульсов, которые, благодаря наличию у кремниевых наночастиц магнитных резонансов, хорошо взаимодействуют друг с другом. Если эти импульсы приходят одновременно, то один из них, управляющий, вступает во взаимодействие со вторым и гасит его за счёт эффекта двухфотонного поглощения. Если же импульсы приходят с разрывом во времени всего в сто фемтосекунд, взаимодействия не происходит, и второй импульс проходит через наноструктуру, не изменяясь. 

Смерть гекконов на спутнике «Фотон-М» остаётся загадкой

Учёные разошлись во мнениях о причине гибели гекконов на российском научном аппарате «Фотон-М» №4.

Напомним, что запуск «Фотон-М» №4 был осуществлён 19 июля с космодрома Байконур. На борту спутника было установлено 22 комплекта научной аппаратуры. Программа предусматривала экспериментальное получение материалов и веществ в условиях космического полёта. Для проведения исследований на живых организмах в космос были отправлены гекконы, мухи-дрозофилы, микроорганизмы и семена высших растений.

Роскосмос

Роскосмос

1 сентября спускаемый аппарат «Фотон-М» №4 совершил успешную посадку в Оренбургской области. После извлечения биообъектов из спускаемого модуля было установлено, что мухи-дрозофилы перенесли космический полёт хорошо, успешно развивались и размножались. В то же время все гекконы погибли.

Высказывается несколько возможных причин смерти рептилий. Среди них — понижение температуры и скачок давления, приведший к гипоксии (кислородному голоданию). Но обе эти версии вызывают вопросы.

Роскосмос

Роскосмос

Дело в том, что в контрольном эксперименте на Земле, где были те же температурные условия, что и на борту спутника, животные остались живы. Руководитель эксперимента с рептилиями, научный сотрудник Института морфологии человека РАМН Сергей Савельев отметил, что гекконы не могли погибнуть из-за падения температуры, поскольку никаких изменений в этом плане не было.

В то же время господин Савельев не исключает, что причиной смерти могла стать гипоксия из-за изменения давления: «Есть гистологические признаки, которые показывают, что капилляры были забиты эритроцитами, лёгкие сжаты. Это может быть очень быстрый и небольшой скачок». Но с доводами учёного не согласен заместитель директора Института медико-биологических проблем (ИМБП) РАН Владимир Сычев. По его словам, никакого скачка давления на «Фотоне» не было, оно было постоянно в норме. «Технического сбоя тоже никакого не было, с аппаратом и с аппаратурой всё было нормально», — подчеркнул господин Сычев.

moodboard/Corbis

moodboard/Corbis

«По большому счёту никто не понимает, почему они погибли. Единственное, что можно предположить, — это совокупность факторов плюс сам космический полёт, который оказался для них [гекконов] непереносим. Это низкая температура в первую очередь, хотя на Земле они её выдержали. Плюс влияние невесомости — поведение животных изменилось», — резюмировал Владимир Сычев. 

Учёные констатировали смерть всех пяти гекконов на спутнике «Фотон-М»

Вчера на Землю вернулся биологический спутник «Фотон-М», совершив успешную посадку в одном из районов Оренбургской области. Однако судьба «пассажиров» капсулы оказалась диаметрально противоположной. Если находившиеся на борту мухи-дрозофилы прибыли в полной сохранности, то все гекконы в количестве пяти единиц оказались мёртвыми.

О данном факте сообщили сотрудники Института медико-биологических проблем РАН. Это подтверждено и заявлением Роскосмоса, но дать ответ, на какой фазе полёта и по какой причине погибли отправленные на эксперимент представители класса пресмыкающихся, в то время как мухи сумели дать потомство, никто не берётся. Для расследования случившегося планируется создать специальную комиссию, которая должна установить причины, спровоцировавшие летальный исход данных биологических организмов. 

Пока что учёные рассматривают несколько ключевых версий. Среди них основополагающей может считаться переохлаждение гекконов, а также допускаемая экспертами версия о нарушениях функционирования в работе некоторых жизненно важных систем. Специалисты института лишь уточнили, что все пять гекконов умерли под влиянием пока что неизвестных факторов задолго до посадки.

www.biglist.ru

www.biglist.ru

В рамках миссии спутника «Фотон-М» учёные рассчитывали, что все биологические виды, находящиеся на космическом аппарате, будут беспрепятственно размножаться во время полёта и дадут потомство.

Несмотря на технические неполадки спутника — потерю управления во время выполнения установленной программы полёта и проблемы с выводом аппарата на расчётную орбиту, по словам представителя Института медико-биологических проблем РАН имевшая место неисправность в совокупности с отсутствовавшей в течение семи дней связью никак не сказалась на работе аппаратуры, поддерживающей жизнеобеспечение на «Фотон-М». Стоит отметить, что по своей природе гекконы устойчиво, в сравнении с другими живыми организмами, переносят пребывание в невесомости из-за умения крепко фиксироваться на поверхности благодаря особому строению лап. 

Научный космический аппарат «Фотон-М» вернулся на Землю

1 сентября около 13:20 по московскому времени в Оренбургской области проведена успешная посадка спускаемого аппарата «Фотон-М» №4.

Запуск «Фотон-М» №4 был осуществлён 19 июля с космодрома Байконур. На борту спутника было установлено 22 комплекта научной аппаратуры. Программа предусматривала экспериментальное получение материалов и веществ в условиях космического полёта, проведение биотехнологических экспериментов, а также изучение влияния открытого космоса на биообъекты. Для проведения исследований на живых организмах в космос были отправлены гекконы, мухи-дрозофилы, микроорганизмы и семена высших растений.

На первом этапе реализации научной программы с аппаратом «Фотон-М» №4 была потеряна связь. Впоследствии, впрочем, проблему удалось устранить, и спутник продолжил выполнение миссии.

Отмечается, что «Фотон-М» №4 предназначался прежде всего для проведения в условиях микрогравитации экспериментов, обеспечивающих получение новых знаний по физике невесомости, отработки технологических процессов производства полупроводниковых материалов, биомедицинских препаратов с улучшенными характеристиками, а также для проведения биологических и биотехнологических исследований.

Масса спутника составила 6840 кг, масса научной аппаратуры — 850 кг (600 кг внутри спускаемого аппарата и 250 кг снаружи). Средняя высота орбиты «Фотон-М» №4 составила 575 км, что выше, чем средняя высота орбиты Международной космической станции. Теперь исследователям предстоит провести тщательный анализ полученных данных. 

В России будет развёрнуто производство фотонных микросхем

Пермская научно-производственная приборостроительная компания (ПНППК) совместно с Пермским государственным национальным исследовательским университетом (ПГНИУ) выиграла грант в размере 160 млн рублей для начала промышленного производства фотонных микросхем.

Peter Ginter/Science Faction/Corbis

Peter Ginter/Science Faction/Corbis

Фотонные чипы основаны не на электронном, а на оптическом принципе действия. «Фотоны как элементарные частицы, входящие в состав электронов, не имеют ни массы, ни электрического заряда, но поскольку они являются частью электронов, с помощью их энергии частицы способны перемещаться со скоростью света, — поясняет профессор кафедры физики твёрдого тела Пермского университета Анатолий Волынцев. — Таким образом, фотоны могут передавать информацию мгновенно».

По сравнению с существующими технологиями фотонные микросхемы позволят создавать более компактные и малоэнергоёмкие приборы. Когда информация передаётся по обычному оптоволоконному кабелю, принимаемые световые импульсы необходимо преобразовать в электрические сигналы, которые можно будет обработать на компьютере. Микросхемы же на основе фотонов позволяют избежать процедуры конвертирования и за счёт этого повысить скорость работы конечных устройств, а также уменьшить количество ошибок.

Peter Ginter/Science Faction/Corbis

Peter Ginter/Science Faction/Corbis

Ожидается, что развёртывание производства фотонных микросхем позволит ПНППК стать одним из лидеров мирового рынка в этой отрасли. 

Ученые показали возможность создания тепловых транзисторов

Исследователи Университета Пурдью (Purdue University) предложили новую технологию, которая способна управлять тепловым потоком так же, как в традиционных электронных устройствах управляют электрическим током. Разработка может найти приложение в самых широких областях, начиная от электроники и заканчивая текстильной промышленностью.

purdue.edu

purdue.edu

Технология использует миниатюрные треугольные структуры для контроля так называемых фононов. В своих экспериментах исследователи установили, что треугольные или T-образные структуры с достаточно малой шириной способны создавать эффект так называемого «теплового выпрямления», то есть в одну сторону может пропускаться гораздо более мощный тепловой поток, а в другую сторону он практически не распространяется.

В новом исследовании, результаты которого будут опубликованы в авторитетном издании Nano Letters, был использован метод молекулярный динамики, который продемонстрировал тепловое выпрямление в так называемых «ассиметричных графеновых нанолентах». Моделирование показало, что графеном ограничиваться не стоит. Тепловое выпрямление может также наблюдаться в различных пирамидальных, трапециевидных и T-образных структурах.

purdue.edu

purdue.edu

Такое выпрямление делает возможным создание тепловых транзисторов, диодов и схем памяти. Тепловые устройства вполне могут выполнять те же самые функции, что их традиционные кремниевые аналоги, только вместо электронов по проводникам будут протекать фононы.

В большинстве проводниковых систем тепло распространяется одинаково в обоих направлениях, поэтому до сих пор не были созданы тепловые устройства наподобие электрических диодов. Если же тепловое выпрямление удастся полностью освоить, то перед полупроводниковой отраслью открываются новые перспективы, уверен исследователь Руан (Ruan). Пока что говорить о конкретных приложениях ещё очень рано. Речь идёт не только о новых перспективах электроники. Например, интересным направлением выглядит разработка строительных блоков, которые смогут пропускать тепло с одной стороны и не выпускать его с другой, или теплой одежды.

Первые прототипы 32-нм оптоэлектронных чипов

Компьютерные чипы, в которых для передачи данных используется свет вместо электронов, потребляют намного меньше энергии и обладают другими преимуществами, но пока они остаются лишь опытными лабораторными образцами. Профессоры Владимир Стоянович (Vladimir Stojanović) и Раджив Рем (Rajeev Ram) из Исследовательской лаборатории электроники и Лаборатории технологий микросистем при Массачусетском технологическом институте (MIT) надеются достигнуть большего прогресса путём создания оптического чипа, который может изготавливаться с применением обычного технологического полупроводникового процесса. Получив доступ к тем же производственным линиям, на которых Texas Instruments "собирает" микропроцессоры для мобильных телефонов, исследователи продемонстрировали возможность размещения большого количества работоспособных оптических и электронных компонентов на одной подложке. Однако пока прямой связи между ними нет. Стоянович планирует решить задачу с выпуском новых образов чипов на мощностях TI и других производителей полупроводников предстоящей зимой.
Оптоэлектронный чип
Прототип оптоэлектронного чипа. Верхние линии - это кольцевые резонаторы
Передача данных через оптический канал может решить проблему ограниченности производительности внутренних шин, которая вскоре явно даст о себе знать в области разработки чипов. Вместе с ростом вычислительной мощности нужны и более высокоскоростные соединения для связи с памятью, иначе дополнительные мега- и гигагерцы могут оказаться лишними. Однако передача большего объёма данных по электрическим соединениям означает увеличение потребляемой мощности. Техпроцессы становятся более прецизионными, транзисторы – компактными и эффективными, поэтому со временем общее энергопотребление меняется незначительно. Но по словам исследователя из Национальной лаборатории компании Sandia (Sandia National Laboratories) Майкла Уаттса (Michael Watts), та часть энергии, которая уходит на соединения, растёт: "В некоторый момент вся мощность должна будет отдаваться соединениям, и он не так уж далеко. Что в таком случае останется для вычислений? Ничего". Будущие чипы могут просто потреблять больше энергии, но тогда и охлаждение станет сложной задачей, а время автономной работы батарей портативных устройств сократится. Исходя из этого, чипмейкеры не прочь перейти на более энергоэффективные системы передачи данных, если только это будет экономически оправдано. Поэтому демонстрация совместимости с ныне используемыми производственными процессами должна быть убедительна. Обычно они подразумевают последовательное размещение слоёв различных материалов – кремния, оксида кремния, меди – на кремниевой подложке и химическое удаление определённых участков для создания итоговых трёхмерных структур. Проблема в том, что слои материалов тоньше, чем оптимальный уровень для оптических компонентов. Как объясняет Стоянович, нормальный фотонный элемент схемы "должен быть выше и тоньше, чтобы минимизировать поверхностные потери". А поскольку толщина задана производственными стандартами, появляется препятствие. В оптических чипах используются волноводы для передачи света, и часто исследователи пытаются совместить фотонные компоненты с кремниевым чипом путём "вырезания" волноводов из единого кристалла кремния. Но такое решение требует применение изолирующих слоёв над и под монокристаллом, что невозможно сделать на линиях TI и Intel. Тем не менее, есть способ размещения диэлектриков сверху с снизу слоёв поликристаллического кремния, обычно используемого в затворах транзисторов. В этом и увидели выход учёные из MIT. На данный момент были изготовлены две серии прототипов фотонных чипов: одна с применением 65-нм технологии, другая – 32-нм. Чтобы избежать утечки света из поликристаллических волноводов, под ними было сформировано пустое пространство – единственный шаг, неосуществимый (пока) TI. Модификация промышленного техпроцесса не должна стать большой сложностью, отмечает Уаттс. В разработке исследователей световое излучение обеспечивает лазер, находящийся вне чипа. В дополнение к направлению луча к нужным точкам чип также должен уметь загружать информацию и отдавать её. Обе операции выполняются с помощью кольцевых резонаторов – крошечных колец из кремния, выводящих свет определённой частоты из волноводов. Быстрое включение и отключение резонаторов приводит к появлению и исчезновению светового сигнала, и соответствующие вспышки с промежутками между ними означают единицы и нули. Потребности в пропускной способности соединений чипов следующего поколения диктуют необходимость в волноводах с поддержкой 128 световых потоков с разными длинами волн, несущих собственные данные. Соответственно, кольцевые резонаторы должны обеспечить пул фильтров, чтобы развязать входящие сигналы. В прототипах чипов, утверждает Стоянович, быстродействие фильтров поразительна, но текущие производственные процессы не могут гарантировать точность размеров колец, от которых зависит пропускаемая длина волны. Учёные надеются, что следующее поколение прототипов, где электронные компоненты будут управлять оптическими, продемонстрирует также более совершенное действие резонаторов при кодировании данных в лучах. В то же время, исследователи ищут способ переноса своих разработок на чипы памяти. По словам Стояновича, этот сегмент полупроводниковой продукции сложно покорить, поскольку данный бизнес сильно зависим от цен и на счету каждая производственная операция. Оптические решения должны быть абсолютно совместимы с производственными технологиями. Но если память и процессоры будут работать с передачей данных по оптическим каналам, то в добавок к экономии энергии производительность компьютеров существенно вырастет. Стоянович говорит о четырёхкратном выигрыше только в случае CPU, а переход всех соединений на фотонные даст 10- и 20-кратное преимущество. Материалы по теме: - Новая концепция цифровой электроники: фемтосекунды, терагерцы;
- IT-Байки: луч нанокристалла в царстве оптоэлектроники;
- IT-Байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния.

Быстрые компьютеры на экситонах близки к реальности

Физики из Калифорнийского университета в Сан-Диего (UCSD) создали быстродействующую интегральную схему, в которой используются частицы под названием экситоны, функционирующую при низких температурах. Это достижение приближает возможность пришествия нового типа сверхбыстрых компьютеров.
Быстрые компьютеры на экситонах близки к реальности
Разработка последовала за демонстрацией прошлым летом чипа, способного работать при 1,5° К (-272° С). Эта температура не только ниже среднего значения, характерного для глубокого космоса, но достижима только в специальных лабораториях. Теперь же учёные сообщили об интегральной схеме, нормальной для которой является температура 125° К (-148,5° С). Такие условия можно обеспечить с помощью жидкого азота, абсолютно доступного в коммерческом секторе. "Наша задача заключается в создании эффективных электронных устройств, где высокая скорость соединений важна, - говорит возглавляющий исследование профессор физики в UCSD Леонид Бутов (Leonid Butov). – Мы ещё на ранней стадии разработки. Наша команда только недавно показала подтверждение принципа транзистора на базе экситонов, и исследование прогрессирует". Экситоны – это квазичастицы, представляющие собой пары отрицательно заряженных электронов и позитивно заряженных "дырок", которые могут генерироваться светом в полупроводниках, таких как арсенид галлия. Когда электрон и "дырка" рекомбинируют, экситон распадается и высвобождает энергию в виде вспышек света. Тот факт, что экситон может быть конвертирован в свет, делает экситонные устройства быстродействующими и более эффективными, чем обычная электроника с оптическими интерфейсами, где используются электроны для вычислений и существует необходимость преобразования их в оптические сигналы. "Наши транзисторы генерируют сигналы, используя экситоны, которые можно контролировать напряжением, однако в отличие от электронов они трансформируются в фотоны на выходе схемы, - продолжает Бутов. – Это прямое соединение экситонов с фотонами позволяет объединить вычисления и коммуникации". Материалы по теме: - Фотонный «пулемет» увеличит мощь квантовых компьютеров;
- Закон Планка опровергнут на наноуровне;
- IT-Байки: луч нанокристалла в царстве оптоэлектроники.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥