Теги → фотоника
Быстрый переход

Программа DARPA приведёт к появлению в компьютерах оптических интерфейсов

Традиционные сигнальные интерфейсы с использованием проводных соединений продолжают хорошо себя проявлять на ближней дистанции — в виде токовых проводников в полупроводниковых чипах. На дальней дистанции — для передачи данных между чипами (процессорами, контроллерами и так далее) — проводные соединения становятся препятствием для дальнейшего наращивания параллелизма в вычислениях. Это проявляется не только в ограничении пропускной способности, но также ведёт к увеличению энергозатрат на передачу растущего потока данных. Очевидно, что с этим что-то надо делать. Например — переходить на оптические интерфейсы вместо электрических.

Для решения комплекса проблем, связанных с интеграцией оптических интерфейсов в полупроводниковые приборы и инфраструктуру, агентство DARPA учредило новую программу «PIPES». Аббревиатура PIPES расшифровывается как Photonics in the Package for Extreme Scalability (фотоника в упаковке для исключительного масштабирования). Действие программы будет касаться трёх областей разработок. Во-первых, необходимо создать технологии для интеграции оптических интерфейсов в состав чипов или многочиповых сборок (модулей). Предполагается интеграция оптических I/O-компонентов в интегральные схемы, ПЛИС, графические процессоры и заказные БИС (ASIC). В продолжение работ в этой области необходимо будет помочь в создании в США экосистемы для повсеместного внедрения данного вида разработок.

Второй областью разработок по программе «PIPES» станут поиски технологий и методов передачи данных оптическим способом между чипами и модулями. Иначе говоря, требуется создать интерфейс для передачи оптических сигналов между встроенными в чипы оптическими модулями. Третья область разработок, которая вытекает из первых двух — это необходимость управлять сотнями и тысячами узлов с оптическими интерфейсами. Напомним, всё идёт к увеличению параллелизма в вычислениях, так что сложность и запутанность систем будут расти завидными темпами.

В третью область исследований внесена разработка малопотребляющих и высокоплотных многоканальных и многопортовых оптических интерфейсов. Также к этой области относится разработка малопотребляющих оптических коммутаторов. Разработки во всех трёх областях программы «PIPES», уверяют в DARPA, найдут применение не только в области военного оборудования, но также на гражданке.

Россия и Китай займутся технологиями фотоники

Холдинг «Швабе» (входит в госкорпорацию Ростех) и Лазерная ассоциация КНР создают консорциум с целью развития и внедрения технологий фотоники на международном уровне.

По сути, фотоника является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны. Ожидается, что подобные технологии откроют путь к созданию принципиально новых систем, которые найдут применение в самых разных областях.

В рамках договора Россия и Китай создадут консорциум «Международный центр фотоники «Полюс». Договор предусматривает несколько направлений деятельности. Это, в частности, квантово-каскадные лазеры, дисковые лазеры, гироскопы и гирокомпасы.

«В рамках двухсторонней встречи назначены исполнители и координирующие органы. С российской стороны им выступила некоммерческая организация "Академия фотоники", со стороны Китая — Национальный инжиниринговый центр лазерной обработки материалов», — отмечается в сообщении Ростеха.

В дальнейшем планируется формирование совместных научно-исследовательских лабораторий. 

Учёный из Imec получил грант на разработку сверхмалого микроскопа

Изобретение микроскопа принесло революционные изменения почти во все области деятельности человека. Использование этого инструмента трудно переоценить, а широту применения невозможно ограничить какими-то рамками. Спустя столетия микроскоп продолжает совершенствоваться. В 2014 году, например, разработчики одной из самых передовых технологий в оптической флуоресцентной микроскопии удостоились Нобелевской премии. Это очень развитая и совершенная технология, но, к сожалению, она требует особых умений и дорогая в эксплуатации. Между тем прикладная и академическая науки требуют оптических микроскопов новых поколений и, в сочетании с современной электроникой, такие приборы обещают появиться.

Слева на фото Нильс Вереллен (Niels Verellen)

Слева на фото Нильс Вереллен (Niels Verellen)

На днях один из молодых учёных бельгийского исследовательского центра Imec Нильс Вереллен (Niels Verellen) был удостоен гранта Европейского научного совета ERC на разработку сверхкомпактного микроскопа. Программа предусматривает пятилетние исследования на сумму 1,5 млн евро. Микроскоп будет опираться на датчик изображения КМОП вкупе с использованием технологии кремниевой фотоники. Нильс Вереллен как раз специалист Imec по кремниевой фотонике. Сверхкомпактный микроскоп должен удовлетворять ряду других требований. Он не должен требовать материалов при обслуживании (zero-maintenance), иметь сверхвысокое разрешение, должен работать быстро с минимальной подготовкой к работе, не требовать каких-либо условий для работы и при этом должен быть недорогим. Иначе говоря — пригодным для массового производства.

Создание микроскопа по предъявленным выше условиям приведёт к облегчению диагностики целого ряда опасных для человека заболеваний. Разработка должна помочь в наблюдении живой клетки вплоть до молекулярного уровня и до секвенции ДНК «на коленке». Теоретически, подобные микроскопы можно будет встраивать даже в смартфоны.

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 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

Разработка учёных ускорит переход к кремниевой фотонике

Следующим важным этапом на пути развития электроники обещает стать переход к кремниевой фотонике, когда медные проводники во внутричиповых интерфейсах уступят место оптическим каналам связи. Для этого будут использоваться полупроводниковые лазеры в инфракрасном диапазоне, благо для инфракрасного излучения полупроводник прозрачен. Попросту говоря, для прокладки оптических каналов связи внутри процессора не нужно будет изобретать чего-то особенного. Традиционный техпроцесс CMOS для этого годится на все сто процентов. Переход на «оптику» снизит потребление процессоров (и уменьшит объёмы рассеиваемого ими тепла), а также ускорит обмен данными. Проблема кроется в другом — научиться выпускать полупроводниковые лазеры в ходе обычных циклов производства полупроводников на кремниевой пластине.

Сегодня наиболее перспективными для интеграции в чипы считаются полупроводниковые лазеры на квантовых точках (quantum dot laser). Такие лазеры в качестве активной среды в излучающей области используют квантовые точки. Удобство данных структур в том, что в зависимости от выбора размеров квантовой точки можно выбирать длину волны лазера и, тем самым, обеспечить уплотнение каналов передачи данных. Также лазеры на квантовых точках способны работать в расширенном диапазоне температур без ухудшения рабочих характеристик.

Общий принцип работы и строение полупроводникового лазера на квантовых точках (jqi.umd.edu)

Общий принцип работы и строение полупроводникового лазера на квантовых точках (jqi.umd.edu)

В качестве материалов для лазеров на квантовых точках принято использовать комбинации материалов из III-V групп периодической таблицы Менделеева. Это арсенид индия и арсенид галлия (InAs/GaAs). Сложным моментом в производстве подобных лазеров являлось то, что в области контакта выращиваемого лазера и кремния (в качестве подложки) возникает много дефектов. Дефекты значительно сокращают срок службы лазера и являются препятствием для внедрения технологии в массовое производство. Этот барьер, как недавно сообщила группа британских учёных, можно преодолеть с помощью специально разработанного зародышевого слоя (nucleation layer), нанесённого на кремниевую подложку для выращивания на нём полупроводникового лазера.

Изображение слоёв подложек и лазера под электронным микроскопом (UCL Electronic & Electrical Engineering)

Изображение слоёв подложек и лазера под электронным микроскопом (UCL Electronic & Electrical Engineering)

Отметим, подобный подход и материалы используются во всех лабораториях мира, работающих над проблемами производства полупроводниковых лазеров. Уникальность же нового подхода в том, что впервые получен очень интересный результат. Выпущенный с использованием новых методик 1,3 мкм (1300 нм) лазер на мощности излучения 105 мВт показал свыше 100 000 часов наработки на отказ (использовалось ускоренное старение — работа на запредельных мощностях). Это больше 10 лет эксплуатации, что соответствует обычному в телекоммуникациях времени использования оборудования до модернизации.

Изображение бездефектных слоёв в сканирующем микроскопе (UCL Electronic & Electrical Engineering)

Изображение бездефектных слоёв в сканирующем микроскопе (UCL Electronic & Electrical Engineering)

Добавим, в ходе экспериментов лазер нагревался до 120 градусов по Цельсию и оставался работоспособным. На новом этапе разработки учёные будут пытаться выращивать лазеры с разной длиной волны и изучать возможность их интеграции в полупроводниковые цепи.

IBM делает кремниевую фотонику на шаг ближе

Увеличение вычислительной мощности отдельных компонентов компьютерных систем автоматически повышает требования к ширине каналов для передачи данных на межпроцессорном (межчиповом) уровне. Однако на близких дистанциях — в пределах материнской платы и даже отдельной стойки — повышать пропускную способность становится всё труднее и труднее. По мере повышение несущей частоты медные соединения начинают «буксовать» — затухания сигнала становятся слишком велики, а паразитные наводки растут. Проблему с расширением каналов могут решить оптические каналы связи, но современные методы сопряжения оптических линий с электронными компонентами слишком дороги, чтобы использовать их на малых и сверхмалых расстояниях. Решить весь комплекс проблем может помочь кремниевая фотоника — интеграция оптических и электронных компонентов на одном кусочке кремния, когда процессор или контроллер может одновременно принять и обработать световой импульс (поток фотонов) и чистый поток электронов.

Стопка кремниевых подложек с оптико-электронными четырёхканальными мультиплексорами IBM

Стопка кремниевых подложек с оптико-электронными четырёхканальными мультиплексорами IBM

К конференции Lasers and Electro Optics 2015, которая на днях стартовала в Сан-Хосе, компания IBM подготовила анонс и демонстрацию первого в индустрии готового к коммерческому внедрению монолитного КМОП-чипа с полностью интегрированными модулями для одновременной работы с оптическими и электрическими сигналами. Разработка представляет собой блок с функциями оптического мультиплексора и демультиплексора. Чип имеет четыре входящих и четыре исходящих оптических канала с пропускной способностью 25 Гбит/с. Решение способно создать один полнодуплексный канал с простым одномодовым оптоволокном с пропускной способностью 100 Гбит/с. В компании IBM испытали разработку на дальности до 2 км. Подобные модули могут сопрягаться на уровне чипов без каких-либо дополнительных разъёмов, что значительно упростит внедрение кремниевой фотоники.

Размещение интегрированных элементов на кристалле одного оптико-электронного мультиплексора IBM

Размещение интегрированных элементов на кристалле одного оптико-электронного мультиплексора IBM

Одновременно с началом производства интегрированных модулей компания IBM представила набор для разработчиков. Вскоре сторонние компании смогут интегрировать оптико-электронные блоки в собственные разработки. Подобным предложением наверняка воспользуются в компаниях Google и NVIDIA, которые одними из первых стали участниками альянса OpenPOWER. Следует ожидать, что со временем подобный интерфейс появится в составе процессоров IBM Power. Пока же компания планирует заменить в собственных ЦОД штатные повторители на решения на базе представленных оптических мультиплексоров. Следует подчеркнуть, что пока в состав решений не вошли полупроводниковые лазеры. Эти элементы всё ещё дискретные и выполняются отдельно. Интеграция лазеров в состав чипов будет проведена на следующем этапе по мере создания новых технологий с использованием материалов из III-V групп периодической системы Менделеева.

Intel отложила начало поставок кремниево-фотонных компонентов

Корпорация Intel вынуждена отложить поставки первых модулей, позволяющих реализовать высокоскоростные системы передачи данных на основе технологии кремниевой фотоники (Silicon Photonics).

Rafe Swan/Corbis

Rafe Swan/Corbis

Кремниевая фотоника — новый подход к использованию света для передачи больших объёмов данных на высокой скорости через оптические соединения. Технология предусматривает использование кремния для создания фотонных устройств, включая лазеры, преобразователи и датчики. В перспективе оптические линии заменят традиционные медные проводники, возможностей которых в условиях постоянного роста трафика оказывается недостаточно.

Intel планировала начать поставки кремниево-фотонных компонентов в начале 2015-го. Однако, как сообщается, первая произведённая партия модулей не удовлетворила требованиям спецификации Intel и стандартам качества. В результате, эти изделия пойдут в тестовые системы, а выпуск новых образцов теперь намечен лишь на конец года.

Rafe Swan/Corbis

Rafe Swan/Corbis

Задержка означает, что коммерческая реализация систем передачи данных на основе технологии Silicon Photonics станет возможна не ранее 2016 года. Серверы нового поколения получат специальные коннекторы MXC. В таких линиях связи вместо электрических сигналов и медных кабелей используется свет и тонкие оптоволоконные соединения. Это позволяет передавать большие объёмы данных с высокой скоростью. Теоретически пропускная способность канала связи может достигать 1,6 терабита в секунду на расстоянии до 300 метров. 

IDF 2014: Кремниевая фотоника в действии

На Intel Defeloper Forum в этом году можно было увидеть коммерческие образцы оборудования на основе технологии кремниевой фотоники (Silicon Photonics). Silicon Photonics позволяет создавать высокоскоростные оптические соединения для использования на коротких расстояниях: в конечном счёте, внутри отдельной серверной стойки.

Проблема существующих проводных соединений, которые используются в этом масштабе, состоит в том, что медные проводники не позволяют масштабировать пропускную способность соответственно существующим вычислительным возможностям и объёмам данных. Чем выше скорость передачи данных, тем более коротким должен быть проводник. При пропускной способности 32 Гбит/с медный кабель не должен превышать по длине 1-2 м, а это уже меньше высоты стандартной 32-дюймовой стойки. Переход на оптику снимает это ограничение.

Можно возразить, что оптические соединения как таковые не являются чем-то новым. Новшество Silicon Photonics заключается в том, что приёмники и излучатели, находящиеся на концах оптического волокна, интегрированы непосредственно в кремниевую полупроводниковую пластину и формируются методом фотолитографии. Благодаря этому достигается драматическое снижение стоимости и трудозатрат на производство оборудования по сравнению с традиционной технологией, в рамках которой оконечные устройства для оптической линии собираются в ходе многоэтапного трудоёмкого процесса. Именно относительная дешевизна Silicon Photonics позволит внедрить оптические соединения на уровне отдельной серверной стойки.

Одно волокно обладает пропускной способностью 25 либо 50 Гбит/с. Однако спецификации позволяют группировать волокна в пучки для увеличения пропускной способности вплоть до 200 Гбит/с и больше. В будущем она превысит 1 Тбит/с. Длина соединения может достигать 820 м.

Используя такие соединения, можно разделить вычислительные компоненты в стойке от накопителей без потери производительности. Со временем также кремниевая фотоника позволит вынести в отдельный модуль пул оперативной памяти и устройств ввода-вывода, к которому несколько процессоров будут обращаться совместно.

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. 

Проект HP Machine: переосмысление базовой архитектуры компьютеров

Корпорация Hewlett-Packard (HP) представила проект Machine по разработке принципиально новой компьютерной архитектуры, которая позволит на многие годы вперёд удовлетворить растущие потребности в вычислительных мощностях и хранении данных.

Machine — это детище исследовательского подразделения HP Labs. В проекте, как отмечается, в той или иной степени задействованы три четверти сотрудников названной лаборатории. HP полагает, что компьютеры и мобильные устройства в их сегодняшнем виде рано или поздно перестанут справляться с растущей нагрузкой, а поэтому необходимы принципиально новые решения.

Работы в рамках проекта Machine ведутся по четырём основным направлениям: это вычислительный блок, система связей, хранение данных и программная платформа.

Вычислительный узел

Hewlett-Packard предлагает отказаться от процессоров общего назначения в пользу кластеров специализированных вычислительных ядер, интегрированных с памятью и сетевыми компонентами. Такой подход позволит решать различные задачи быстрее при меньших затратах энергии.

Память

Проект Machine предполагает использование накопителей на основе мемристоров, которые смогут заменить и DRAM, и постоянную память, скажем, флеш. Напомним, что мемристоры считаются четвёртым пассивным элементом микросхем после резистора, конденсатора и катушки индуктивности. Опытный образец мемристора был создан в 2008 году в исследовательской лаборатории HP. Работа устройства обеспечивается за счёт химических превращений в тонкой двухслойной плёнке двуокиси титана: один из слоёв слегка обеднён кислородом, и кислородные вакансии мигрируют между слоями под действием приложенного электрического напряжения. Наблюдающееся в мемристоре явление гистерезиса позволяет использовать его в качестве ячейки памяти. Ожидается, что плотность хранения данных в накопителях на основе мемристоров будет настолько высокой, что смартфоны смогут вмещать до 100 Тбайт информации.

Связи

Для обеспечения высокоэффективной передачи больших объёмов данных предлагается использовать кремниевую фотонику. Эта технология предусматривает применение недорогого кремния (вместо дорогих и редких оптических материалов) для создания фотонных устройств, включая лазеры, преобразователи и датчики. Кремниевая фотоника обеспечит возможность передачи больших объёмов данных на высокой скорости с минимальным энергопотреблением по оптическому кабелю.

Программная платформа

Для новой архитектуры потребуется принципиально новая операционная система. HP ведёт работы над такой платформой с чистого листа, а также изучает возможность создания специализированных систем на ядре Linux.

Ожидается, что результаты исследований в рамках проекта Machine будут продемонстрированы в течение трёх–пяти лет. 

Новая лазерная технология может увеличить ёмкость диска DVD до петабайта

Технологический мир движется от оптических накопителей к цифровому распространению данных, так что DVD постепенно становится достоянием прошлого, а жизнь Blu-ray на какое-то время продлится благодаря новому поколению игровых консолей. Однако учёные создали новый тип оптического лазера, который способен увеличить объём носителя DVD до одного петабайта. Это может сделать оптические накопители вновь актуальными (по крайней мере, для архивирования данных).

В настоящее время однослойный DVD может вмещать около 4,7 Гбайт данных, а двухслойный — вдвое больше. На однослойный диск Blu-ray можно записать 25 Гбайт, а каждый дополнительный слой вмещает по 25 дополнительных гигабайт. Диски Blu-ray требуют специального проигрывателя, а пишущие приводы очень редко встречаются. При этом современные магнитные жёсткие диски выпускаются в объёмах по нескольку терабайт, а вместимость SSD доходит до 1 Тбайт. Но DVD-диски стоят очень дёшево, так что если их ёмкость удастся существенно увеличить, они могут снова стать актуальными.

Команда Центра микрофотоники при Технологическом университете Суинберна разработала метод, позволяющий увеличить ёмкость диска DVD со стандартных 4,7 Гбайт до 1 Пбайт. Метод не меняет параметры самого диска, а предусматривает изменение в лазере, который используется для считывания данных.

В настоящее время для представления данных на диске лазер записывает нули и единицы на поверхность в форме точек. Эти точки хранят данные, а их размещение ограничивается размерами диска и самих точек. При фокусировке света существует так называемый дифракционный предел, открытый в 1873 году Эрнстом Аббе, который диктует минимальное значение размера пятна рассеяния (оно не должно быть меньше половины длины волны). Это ограничивает размер точек, которыми записываются биты данных на диске. Команда исследователей нашла способ обойти это ограничение.

Австралийские инженеры заключили луч стандартного лазера в луч другого торообразного лазера, что привело к сужению луча стандартного лазера. В результате диаметр луча уменьшился до одной десятитысячной человеческого волоса. Важнее же всего то, что метод портативный и дешёвый, так как он предусматривает использование стандартного оптического и лазерного оборудования.

К сожалению, о времени выхода технологии на рынок пока ничего не сообщается, но если новая разработка действительно позволяет столь радикально увеличить ёмкость DVD-дисков, то это может оказаться весьма интересно. Впрочем, на пути к внедрению может стать важное ограничение: принципиальный рост ёмкости накопителя требует и существенного роста скоростных показателей чтения/записи.

Материалы по теме:

Источники:

Фотонная временная линза обеспечит связь на 270 Гбит/с

Исследователи из Корнельского университета (Cornell University) разработали простое кремниевое устройство для увеличения пропускной способности оптических каналов. Оно включает кремниевый чип, названный "временная линза", оптический кабель и лазер и действует следующим образом: разбивает поток данных, кодированных на скорости 10 Гбит/с, объединяет его снова и на выходе скорость составляет уже 270 Гбит/с. Обычно повышение этого параметра требует большого количества энергии и применения массивной и дорогостоящей оптики. Новая система энергоэффективна и интегрирована на компактном чипе. Использовать разработку можно для передачи больших объёмов информации по Интернету или через оптические соединения внутри компьютеров.
Чип - временная линза
В большинстве сегодняшних телекоммуникационных системах данные кодируются на скорости 10 Гбит/с. Пытаясь добиться большего, инженеры столкнулись с проблемой. "Как только вы подбираетесь к очень высоким значениям пропускной способности, нет простого способа кодировать данные", - объясняет профессор Корнельского университета Александр Гета (Alexander Gaeta), который трудится над устройством вместе с доцентом электрической и компьютерной инженерии Майклом Лайпсоном (Michal Lipson)". Новое устройство может стать критически важным шагом в совершенствовании применимых на практике оптических чипов. С ускорением электроники "энергопотребление становится сдерживающим фактором, особенно на уровне микросхем, - говорит профессор Керен Бергман (Keren Bergman). – Вы не можете заставить ноутбук работать быстрее, не подумав об охлаждении". Верхний предел электроники – около 100 ГГц. Оптические компоненты способны заставить компьютеры функционировать быстрее без сопровождающего лишнего тепла, но из-за природы света – фотоны не стремятся взаимодействовать – формирование оптических сигналов на высокой скорости забирает большое количество энергии. Новый сверхбыстрый модулятор обходит проблему благодаря сжатию данных, кодированных обычным оборудованием, до сверхвысоких скоростей. Устройство называют "временной линзой", или "временным телескопом" ("time telescope"). Если обычная линза изменяет пространственную форму световой волны, то временная постоянно растягивает или сжимает её. Профессор прикладных наук в области электроники и компьютерной инженерии Брайан Кёльнер (Brian Kolner) из Калифорнийского университета (University of California) заложил теоретические основы таких линз в 1988 году, работая в Hewlett-Packard. Он создал образец в 1990-х годах, но прототип нуждался в дорогостоящем модуляторе на кристалле, отбиравшем много энергии. Работа корнельской команды, по словам Кёльнера, является "ощутимым шагом вперёд в преодолении препятствий на пути к практическому использованию". Более подробно описание системы выглядит следующим образом. Сначала сигнал кодируется лазерным излучением обычным модулятором. Световой сигнал затем поступает в разработанный чип через кольцо из оптоволокна, переносящее его на наномасштабные кремниевые волноводы. Как аккорд на гитаре слагается из нот от разных струн, так и сигнал состоит из многих частот света. В пределах чипа он взаимодействует с излучением лазера, что приводит к его разделению на частотные компоненты. Свет проходит через другой отрезок кабеля ещё в один волновод, где взаимодействует с излучением от такого же лазера. В процессе сигнал собирается, но с изменённой фазой. Из чипа он выходит уже на скорости 270 Гбит/с. Физика сложная, но чистый эффект, говорит Бергман, позволяет "взять медленный поток битов и значительно его ускорить". Временной телескоп передаёт больше данных за меньшее время, и процесс энергоэффективен, потому как вся требуемая мощность – это питание лазера. Корнельское устройство – одно из серии недавних прорывов в кремниевой фотонике. "Кремний – замечательный материал для электроники, и в течение долгого времени воспринимался как сомнительный для оптики, - рассказывает Гета. За прошедшие пять лет исследователи перевернули такое представление. В 2005 году учёные из Intel создали быстродействующий кремниевый лазер, позже другие оптические компоненты, включая модуляторы, были произведены из этого же материала. - Люди продолжают считать, что необходимо заменить кремний для сверхбыстрых процессов, но именно он может стать выходом". Применение кремния имеет два преимущества. Во-первых, производители уже имеют инфраструктуру для изготовления устройств из Si. "Вы можете задействовать все технологии, которые были разработаны для электроники, чтобы выпускать оптические устройства", - отмечает Гета. Раз оптика и электроника производятся из одного материала, будет гораздо проще интегрировать их на одном чипе, и каждый компонент будет выполнять лучшее, на что способен: электронный – обрабатывать данные, оптический – осуществлять сверхбыструю передачу. Материалы по теме: - Фотонный «пулемет» увеличит мощь квантовых компьютеров;
- Квантовый алгоритм взлома шифров на фотонном чипе;
- IT-байки: Электроника будущего - бумажная, органическая, фотонная?.

Установлен мировой рекорд производительности в области фотоники

Исследователи Intel на днях похвастались очередными достижениями в области кремниевой фотоники (Silicon Photonics), установив мировой рекорд производительности с помощью системы на базе кремниевого лавинного фотодиода (Avalanche Photodetector, APD), обеспечивающего сокращение затрат и повышение быстродействия по сравнению с другими серийно выпускаемыми оптическими устройствами. Кремниевая фотоника – перспективная развивающаяся технология, в которой обычный кремний используется для передачи и приема оптической информации между компьютерами и другими электронными устройствами. Сверхбыстрая передача данных будет необходимым условием для работы компьютеров будущего, оснащенных многоядерными процессорами. Технология передачи данных на базе кремниевой фотоники также позволит создавать недорогие высокопроизводительные крупносерийные вычислительные системы. Совместное использование этих технологий может привести к созданию цифровых устройств новых типов, обладающих большей производительностью по сравнению с показателями решений, доступных сегодня. Группа под руководством исследователей Intel разработала кремниевый лавинный фотодиод – чувствительный фотодетектор, позволяющий обнаруживать световое излучение и усиливать слабые световые сигналы, направленные на кремниевый приемник. При разработке этого устройства APD использовались кремниевые элементы и технологии CMOS. «Добротность» усилителя допускает работу на частотах до 340 ГГц – это наилучший результат из когда-либо достигнутых на APD. Новое устройство позволяет создавать недорогие оптические линии со скоростью передачи данных 40 Гбит/с и выше. Материалы по теме: - Первый взгляд на посткремниевую электронику;
- IT-байки: наномир вторгается в микросхемы.

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥