Компания Intel продолжает избавляться от непрофильных направлений своего бизнеса. Компания Jabil объявила, что приобретёт у Intel подразделение по производству кремниевой фотоники: компания получит в своё распоряжение линейку оптических приемопередатчиков и продолжит разработки в данной сфере в будущем. Сумма сделки не раскрывается.

Источник изображения: Rubaitul Azad / unsplash.com

Поглощение укрепит позиции Jabil на рынке средств коммуникаций для центров обработки данных и позволит ей конкурировать с другими игроками в различных сегментах, включая ЦОД для систем искусственного интеллекта, а также систем для крупнейших облачных провайдеров — гиперскейлеров. При этом Intel не планирует полностью отказываться от собственных решений в области передовых технологий ввода-вывода.

«В III квартале мы решили продать сегмент подключаемых модулей в нашем бизнесе кремниевой фотоники, что позволит нам сосредоточиться на разработке более ценных компонентов и решений оптического ввода-вывода для обеспечения масштабирования инфраструктуры ИИ. Это десятый бизнес, из которого мы вышли за последние 2,5 года, что даёт нам ежегодную экономию в размере $1,8 млрд и является подтверждением наших усилий по оптимизации портфеля и создания долгосрочной стоимости», — заявил в ходе квартального отчёта гендиректор Intel Пэт Гелсингер (Pat Gelsinger).

Под руководством господина Гелсингера Intel в последние годы действительно избавляется от неключевых направлений бизнеса: это коснулось производства памяти 3D NAND и твердотельных накопителей, направления памяти Optane, производства модемов для ноутбуков, коммуникационной продукции Barefoot, а также серверов и компьютеров NUC. Эти решения приняты в рамках реализации стратегии компании, направленной на то, чтобы сосредоточиться на основном бизнесе по производству процессоров и других чипов, и повысить прибыльность.

Новый владелец бизнеса обещает упростить аспекты, связанные с решениями для оптических сетей: Jabil планирует предлагать комплексные услуги по проектированию компонентов и сборке систем, а также обеспечить эффективное управление цепочками поставок — это поможет компании расширить рынок своей продукции.

Компании TSMC, Broadcom и NVIDIA создали альянс для совместной работы в области кремниевой фотоники. Этот альянс направлен на продвижение технологий ИИ и компьютерной техники нового поколения, обещая революцию в области энергоэффективности и вычислительной мощности. Первые продукты ожидаются уже к 2025 году.

Источник изображения: geralt / Pixabay

Направление кремниевой фотоники уже привлекло внимание таких компаний, как IBM и Intel, а также различных научных институтов, активно занимающихся исследованиями и разработками в данной области. Новый альянс, в свою очередь, сосредоточит усилия на аппаратном обеспечении для ИИ.

Центральной фигурой нового проекта станет TSMC, на плечи которой ляжет основная нагрузка по исследованиям и разработке. Компания планирует вовлечь около 200 своих сотрудников для работы над интеграцией технологий кремниевой фотоники в решения для высокопроизводительных вычислений (HPC). Основная цель — создание оптических интерконнектов на кремниевой основе, способных обеспечить более высокие скорости передачи данных между микросхемами и внутри них. К числу преимуществ нового подхода можно отнести увеличение дальности передачи данных и снижение энергопотребления.

Вице-президент TSMC, Ю Чжэньхуа (Yu Zhenhua), подчеркнул, что новый подход на основе кремниевой фотоники позволит решить две ключевые проблемы: энергоэффективность и вычислительную мощь ИИ. «Мы можем быть на пороге новой эры», — заявил он, предвещая кардинальные изменения в отрасли. Компания планирует расширить производственные мощности по выпуску передовых микросхем к концу IV квартала 2024 года, чтобы удовлетворить растущий спрос со стороны клиентов.

Создание альянса TSMC, Broadcom и NVIDIA открывает новую страницу в развитии технологий кремниевой фотоники. Перед нами, возможно, начало новой эры в сфере полупроводников, где скорость передачи данных и энергоэффективность станут определяющими факторами прогресса.

Кремниевая фотоника является отраслью промышленности, предполагающей объединение полупроводниковых вычислительных компонентов с оптическими каналами передачи информации. Представители TSMC взяли на себя смелость утверждать, что в условиях роста потребности в скоростных интерфейсах важность кремниевой фотоники будет только усиливаться, а потому контрактный производитель готов проводить профильные исследования и разработки.

Источник изображения: Nikkei Asian Review, Cheng Ting-Fang

По словам вице-президента TSMC Дугласа И (Douglas Yi), на которые ссылается Nikkei Asian Review, «обеспечив систему качественной интеграции кремниевой фотоники, мы могли бы решить сразу две проблемы, стоящие перед искусственным интеллектом — повысить энергоэффективность без ущерба для производительности вычислений». Эти заявления представитель TSMC сделал на открытии мероприятия SEMICON на Тайване, проходящего на этой неделе.

Большие объёмы данных, которые необходимо передавать при обучении языковых моделей ИИ, было бы эффективнее направлять по оптическим каналам. Это позволяет как увеличить расстояние передачи информации, так и снизить задержки, не говоря уже о снижении энергопотребления. Intel, Cisco и IBM уже давно экспериментируют в сфере кремниевой фотоники, рассчитывая применить свои разработки в суперкомпьютерах и сопутствующей инфраструктуре. NVIDIA ради достижения подобных целей купила израильскую компанию Mellanox. Китайская Huawei Technologies изначально пыталась инвестировать в эту сферу посредством строительства исследовательского центра в Великобритании, но теперь сложно судить, как такую активность можно будет продолжать в условиях западных санкций.

TSMC, по словам руководства компании, пытается сочетать разработку кремниевой фотоники с передовыми методами компоновки вычислительных решений. Пока подобные эксперименты не привели к созданию решений, готовых к массовому производству. Занимающаяся тестированием и упаковкой чипов компания ASE Technology Holding разделяет мнение о том, что поиски новых методов интеграции кремниевой фотоники через технологии упаковки являются ключом к созданию нового поколения вычислительных комплексов. По оценкам ассоциации SEMI, мировой рынок кремниевой фотоники к концу десятилетия достигнет ёмкости в $7,86 млрд, а в период с 2022 года он будет в среднем ежегодно расти на 25,7 %.

Размеры транзисторов подходят к своему пределу, за которым начинают действовать законы квантового мира. Поэтому с большой вероятностью компьютеры недалёкого будущего будут работать на оптических сигналах. Это будущее пока выглядит неопределенно, как и нет до конца понимания какие материалы, как и для чего нужно использовать. Группа российских физиков дала свой ответ на эти вопросы, для чего подробно изучила нановолокна из фосфида галлия.

Источник изображения: Pixabay

Физики лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, их коллеги из Алферовского университета, ВШЭ, ИТМО, СПбГУ, Политехнического университета (все — Санкт-Петербург) и Ереванского государственного университета создавали на подложке нановолокна из фосфида галлия, меняя их диаметр и геометрию, после чего изучали оптические и спектральные характеристики образцов.

Алексей Большаков, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ, рассказал: «Мы показываем, что, используя нитиевидные нанокристаллы, можно делать волноводы размером 100 нанометров — это важный шаг по снижению размеров оптических элементов. Меняя геометрию кристаллов, можно фильтровать свет, который передает волновод, а варьируя их химический состав, можно создавать и наноразмерные источники света для систем на чипе».

Работа учёных была опубликована в научном журнале Small. Главной её ценностью стала демонстрация возможности создавать логические элементы из нановолокон фосфида галлия. Наряду с великолепными оптическими свойствами, этот материал доказал свою эластичность на наноуровне. Так, нанопровода можно было изгибать без возникновения дефектов и они не теряли своих оптических характеристик. Придавая нановолокнам необходимую геометрическую конфигурацию, из них можно создавать не только простейшие волноводы, но также фильтры, резонаторы и другие сложные оптические элементы микросхем.

Алексей Большаков поделился планами: «Мы экспериментально показали и теоретически объяснили, какие размеры должен иметь волновод из фосфида галлия, чтобы поддерживать передачу света. Далее направим усилия на изготовление более сложных оптических элементов: фильтров, интерферометров. Мы можем спектрально разделять оптические сигналы, используя схемы из нескольких наноструктур, что важно для создания логических элементов. Также мы создаем из других материалов волноводы, которые будут работать на других длинах волн света».

В Scientific Reports вышла статья группы авторов из Сколтеха, НИТУ МИСИС и Оксфорда с детальным описанием физических характеристик кремниевых панцирей планктона. Копируя структуру и строение панцирей, можно создать мембрану для миниатюрного сверхчувствительного и при этом потребляющего мало энергии микрофона, фотонный кристалл или нечто другое, на что у природы ушло миллиарды лет.

Источник изображений: НИТУ МИСИС

Для изучения свойств и строения панцирей диатомовых водорослей — одноклеточных организмов с поразительными свойствами — исследователи задействовали самый передовой инструментарий, включая атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование (на образец надавливают алмазной иглой и регистрируют его деформацию). Пожалуй, эта работа стала первым исследованием, в котором свойства кремниевых панцирей диаметром всего 30–40 мкм были изучены очень и очень детально.

Жёсткость, упругость, способность выдерживать деформации, вибрации и степень восстановления, а также многие другие параметры до этого никогда и никем не регистрировались. Полученные российскими и английскими учёными данные станут отправной точкой для множества других работ в этом направлении, что в конечном итоге обещает привести к появлению множества новых технологий, материалов и решений, включая оптронику, MEMS и наномеханику.

«Эволюционный успех и большое значение диатомовых для биосферы Земли говорят о том, что их структура оказалась оптимальна с точки зрения оптики, механики и биохимии одновременно, также при этом сводя к минимуму вес и расход материала», — пояснил заведующий Кафедрой физической химии НИТУ МИСИС, старший инженер-исследователь Центра системного проектирования Сколтеха Алексей Салимон.

Как говорится в статье научного коллектива в Scientific Reports, подобные стеклянному кружеву экзоскелеты диатомовых водорослей «являются неисчерпаемым источником вдохновения для разработки новых материалов и устройств». Они уже применяются для очистки воды от тяжёлых металлов, а также в качестве мягких абразивных веществ в составе зубной пасты, но сфера их применения не должна ограничиваться только этим. Учёные и инженеры могут вдохновиться совершенством этих естественных объектов и реализовать подсмотренное у природы в современном мире, включая электронику и наноустройства.

Учёные из «Сколтеха» придумали оптический транзистор, переключаемый одним фотоном. Они получили патент на способ переключения одним единственным фотоном при комнатной температуре такого макроскопического состояния света, как поляритонный бозе-эйнштейновский конденсат. Конкурирующие разработки осуществимы либо при глубоко криогенных температурах, либо требуют для работы десятков или сотен тысяч фотонов. Реакция на один фотон — это предел технологии.

Сегодня главная проблема для оптических компьютеров — быстрых как скорость света и холодных как окружающая их среда — это невозможность непосредственного влияния светового сигнала на другой световой сигнал (модулирование, переключение и тому подобное). По крайней мере, это утверждение справедливо, если сравнивать фотоны с электронами.

Небольшое количество электронов в виде слабого тока способно переключить состояние транзистора и привести к усилению тока. Фотоны так не могут. Одиночный фотон и даже пучок фотонов не способны повлиять на оптический сигнал большей интенсивности, что сводит на нет тему энергоэффективности.

Представленный в 2019 году учёными «Сколтеха» и компании IBM оптический транзистор, работающий при комнатной температуре, для переключения состояния требовал от 10 до 100 тыс. фотонов. Но именно эта разработка стала базовой для новой технологии, которая позволила создать условия для переключения оптического «транзистора» всего лишь одним единственным фотоном.

По большому счёту, как признаются учёные, «детектирование неуловимого явления однофотонного переключения в нашем новом эксперименте стало возможным благодаря одновременному повышению чувствительности и устранению шума». На деле эксперимент строился на множестве теоретических и практических изысканий, чуть подробнее о которых можно узнать на сайте «Сколтеха» в соответствующем пресс-релизе.

Данная работа удостоилась публикации в журнале Nature. В перспективе она открывает путь к оптическим вычислениям и более быстрой электронике, которая также не будет страдать от тепловыделения. Это обеспечит как бурный рост производительности вычислителей, так и значительное сокращение потребления энергии. Остаётся вопрос, как скоро это произойдёт? Ответа на него пока нет.

Китайским учёным удалось создать притягивающий луч на базе лазера, способный перемещать объекты на макроуровне, не прикасаясь к ним. На первый взгляд устройство работает нелогично: вместо того, чтобы отталкивать предметы, лазер их притягивает. Сообщается, что при использовании лазера мощностью 90 мВт создаётся притягивающая сила около одного микроньютона.

Источник изображения: Star Trek

Устройство обманчиво просто. Это кусочек стекла с отражающим золотым покрытием, к которому приклеена чешуйка графена. На чешуйку графена одновременно направляются синий, голубой и зелёный лазеры. И объект начинает двигаться к источнику лазерного излучения.

В принципе, установка основана на известных явлениях. Оптические пинцеты и солнечные паруса также используют свет для перемещения предметов. Однако оптический пинцет обычно ограничивается объектами размером с одну молекулу, а в парусе используется давление солнечного ветра. «В предыдущих исследованиях сила притяжения света была слишком мала, чтобы тянуть макроскопический объект, — сказал член исследовательской группы Лей Ван (Lei Wang) из Китайского университета науки и технологий Циндао. — С нашим новым подходом сила притяжения света на три порядка больше, чем световое давление на солнечный парус, использующий импульс фотонов для создания небольшой толкающей силы».

Устройство основано на уникальных свойствах графена. Графен — это один слой кристаллической решётки углерода толщиной в 1 атом. Уникальность данного материала в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводник. Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97 % прозрачен. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Источник изображения: iLexx/Getty Images

Графен является оптически поглощающим, что означает, что он сохраняет некоторый процент энергии при бомбардировке фотонами и при этом эффективно проводит тепло. Поэтому, когда учёные направили лазер на сэндвич из графена, стекла и золота, графен передал эту энергию прямо на дальнюю сторону объекта. Из термодинамики известно, что горячие предметы излучают больше энергии, чем холодные, при прочих равных условиях. В лабораторных условиях этого дифференциального нагрева было достаточно, чтобы заставить объект двигаться.

Исследователи работали в строго контролируемой среде низкого давления. Это уменьшило оптическое рассеяние, которое могло бы исказить эксперимент. Это значит, что тяговые лучи могут оказаться наиболее полезными в космосе, как и мечтали когда-то мастера фантастики. «Наша методика обеспечивает бесконтактный метод притягивания объектов на большие расстояния, — сказал Ван. — Среда разреженного газа, которую мы использовали для демонстрации технологии, похожа на Марсианскую. И тут мы видим потенциал для управления транспортными средствами или самолётами на Марсе в отдалённом будущем».

По мере увеличения энергии импульса и снижения длины волны лазерного излучения размеры установок катастрофически растут. В то же время коротковолновый диапазон с высокой частотой излучения обещает много интересного от чувствительных сканеров безопасности в аэропортах до производительной оптоэлектроники, но везде нужна компактность. Китайские учёные смогли решить эту проблему, научившись генерировать лазерное излучение очень и очень компактными источниками.

Источник изображения: SCMP

Как сообщают китайские СМИ, группа учёных из Шанхайского института оптики и точной механики при Китайской академии наук нашла способ создания компактной версии устройства, известного как лазер на свободных электронах. Подобные лазеры интересны тем, что воздействие на пучок электронов в определённых условиях вызывает когерентное испускание фотонов этими электронами. Тем самым генерировать лазерный импульс можно в довольно большом спектре проводников и полупроводников (отдельный привет кремнию) и при этом можно задавать требуемую длину волны излучения вплоть до рентгеновского.

В частности, в своём эксперименте китайские учёные превратили в рентгеновский лазер кусок провода длиной 8 см. Соавтор исследования Е Тянь (Ye Tian) сообщил новостному изданию Shanghai Observer, что команда нашла способ синхронизировать электроны «как отряд почётного караула», чтобы генерировать большую мощность.

В ходе исследования китайские учёные возбудили свободные электроны в материале с помощью облучения железной проволоки мощным сверхбыстрым лазерным импульсом. Короткий импульс разогнал электроны до высокой скорости вдоль проволоки, что заставило другие электроны в проволоке самостоятельно излучать электромагнитные волны. Взаимодействие разогнанных свободных электронов со «вторичным» электромагнитным импульсом привело к лавинообразному процессу, что вылилось в эффекте усиления «лазерного» излучения.

Открытое явление может быть реализовано в датчиках, сканерах и микроэлектронике, когда наноразмерный объект может быть превращён в лазер с едва ли не любой длиной волны. По мнению экспертов, этот может заставить «полностью переосмыслить то, как может быть сгенерирован электронный луч» и привести к новому уровню в науке и технике.

Компьютеры, использующие для передачи данных свет вместо электрического тока, которые ещё несколько лет назад рассматривались лишь в качестве очередного исследовательского проекта, сегодня получают всё больше внимания. Cтартапы, решающие инженерные проблемы, связанные с использованием фотонов (элементарных частиц света) для передачи информации между полупроводниковыми микросхемами получают сотни миллионов долларов инвестиций, пишет Reuters.

Источник изображений: Ayar Labs / Reuters

Один из примеров таких стартапов является компания Ayar Labs, работающая в сфере так называемой кремниевой фотоники. Недавно она сообщила о привлечении финансирования в размере $130 млн на свои разработки. Одним из её инвесторов является компания NVIDIA.

Вычислительная мощность кремниевых чипов на основе транзисторов за последние десятилетия увеличилась в геометрической прогрессии. Но поскольку размеры самих транзисторов достигли ширины в несколько атомов, их дальнейшее уменьшение представляет собой очень сложную технологическую задачу. Другая проблема транзисторов заключается в том, что они могут пропускать сигналы, снижая эффективность их передачи. Индустрия полупроводников неминуемо приближается к ситуации, когда закон Мура об удвоении плотности транзисторов каждые два года перестанет работать. Это подталкивает отрасль к поиску новых решений для удовлетворения постоянно растущих потребностей в более сложных вычислениях. Особенно на фоне стремительно развивающейся сферы искусственного интеллекта.

По данным аналитической компании PitchBook, в прошлом году рынок кремниевой фотоники привлёк инвестиций на общую сумму свыше $750 млн, что вдвое больше, чем в 2020 году. А в 2016 эта сфера оценивалась всего в $18 млн.

«Технологии искусственного интеллекта растут "как на дрожжах" и активно используются в тех же дата-центрах. Перемещение цифровых данных и вопрос энергоэффективности при передаче этих данных здесь являются очень серьёзными проблемами, требующими решения», — рассказал в интервью изданию Reuters глава Ayar Labs Чарльз Вуишпард (Charles Wuischpard).

Корень проблемы заключается в том, что алгоритмы машинного обучения для выполнения вычислительных задач требуют использования сотен и даже тысяч полупроводниковых микросхем. При этом скорость передачи данных между этими чипами или целыми системами при использовании традиционных электрических методов является весьма ограниченной.

Свет уже несколько десятилетий используется для передачи сигналов с информацией с помощью оптоволоконных кабелей. Однако вывод технологии на уровень производства микросхем долгое время оставался очень сложной задачей. Она усложнялась необходимостью сокращения размеров устройств, которые используются в качестве источников света, до уровня транзисторов.

По мнению аналитика рынка новых технологий Брендана Бёрка (Brendan Burke) из компании PitchBook, кремниевая фотоника имеет потенциал приобрести статус обычного оборудования в составе дата-центров уже к 2025 году. А сам рынок кремниевой фотоники к этому моменту может вырасти до $3 млрд, то есть до уровня рынка графических технологий с использованием ИИ, каким он был в 2020 году.

Стартапы используют технологии кремниевой фотоники не только в качестве эффективного средства передачи информации между микросхемами в составе одной или нескольких вычислительных систем. Разработки квантовых компьютеров, новых суперкомпьютеров, а также микрочипов для систем автономного вождения также привлекают огромные объёмы инвестиций.

Компания PsiQuantum, занимающаяся разработкой первого прикладного квантового компьютера, привлекла $655 млрд. Компания Lightmatter, занимающаяся разработкой фотонных процессоров для ускорения работы ИИ-алгоритмов в составе дата-центров привлекла $113 млн и обещает выпустить первые готовые к использованию продукты в этом году. Стартап Luminous Computing, занимающийся разработкой суперкомпьютера для ИИ-вычислений с использованием технологий кремниевой фотоники и получивший поддержку Билла Гейтса (Bill Gates), в общей сложности привлёк $115 млн инвестиций.

Интерес к кремниевой фотонике проявляют не только молодые технологические компании, но и вполне себе матёрые представители полупроводниковой индустрии. Например, глава отдела развития вычислительных и сетевых технологий GlobalFoundries Амир Фейнтух (Amir Faintuch) заявил, что сотрудничество с компаниями PsiQuantum, Ayar Labs и Lightmatter позволило им разработать и создать платформу для производства продуктов кремниевой фотоники, которую могут использовать её клиенты. Запуск платформы состоялся в марте этого года.

Основатель венчурного фонда Playground Global, инвестор компаний Ayar Labs и PsiQuantum Питер Барретт (Peter Barrett) в разговоре с Reuters отметил, что верит в долгосрочную перспективу кремниевой фотоники, а также в её возможность значительно укоротить компьютерные вычисления. Но впереди, по его словам, ещё много работы.

«Ребята из Ayar Labs достигли очень важного рубежа. Они решили проблему медленного интерконнекта в системах для высокопроизводительных вычислений. Однако полный переход на цифровые фотонные вычисления в не квантовых системах потребует некоторого времени», — прокомментировал Барретт.

Исследователи из МФТИ, университета Регенсбурга (Германия), Массачусетского технологического института и университета Канзаса (США) обнаружили аномально сильное поглощение света в намагниченном графене. Явление обещает помочь в разработке чрезвычайно компактных устройств связи, чувствительных датчиков и систем генерации электричества от солнечной энергии. Работу сочли достойной публикации в Nature Physics — самом престижном издании по физике.

Источник изображения: «За науку»

Усиление взаимодействия света и вещества — это одна из проблем современной физики, как и проблема локализации энергии на участках намного меньше длины волны падающего излучения. Практическое решение последней проблемы, к примеру, позволит создавать антенны для связи 6G очень и очень маленькими — намного меньше длины волны рабочего излучения, что обещает снижение габаритов приёмников и устройств.

В поисках решения этих двух проблем учёные из России, США и Германии изучали воздействие терагерцового излучения (в виде лазерного луча) на графен, помещённый в электромагнитное поле. Соблюдение всех условий вело к одновременному возбуждению в графене двух видов резонансов — плазмонного и циклотронного. А резонансные явления, как известно, усиливают эффекты взаимодействия во всех случаях, чему найдётся масса практических применений от более эффективных фотоприёмников до новых поколений мобильной связи.

«Факт усиления поглощения при возбуждении медленных поверхностных волн был известен достаточно давно, — рассказывает Денис Бандурин, сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ. — Однако раньше считалось, что поверхностные волны в полупроводниках не могут быть медленнее, чем электроны, которые движутся в волне. Для графена скорость электронов где-то в 300 раз медленнее скорости света. Наше исследование показывает, что предела для замедления света фактически не существует — он может быть замедлен до полной остановки при включении уже небольшого магнитного поля».

Графен в созданных в лаборатории условиях повёл себя необычно в том смысле, что совместил в себе три функции: генератора фототока, антенны и поглотителя. Традиционно в полупроводниковой промышленности каждая из представленных выше функций решается разными приборами на основе разных же материалов. Отдельного упоминания заслуживает факт поглощения падающего излучения при размере элемента много меньше длины волны излучения — это бонус в виде компактности.

«Мы ожидаем, что графен в магнитном поле может оказаться сверхпоглотителем, — комментирует соавтор исследования Дмитрий Свинцов, заведующий лабораторией оптоэлектроники двумерных материалов МФТИ. — То есть он будет захватывать свет не только с площади, превышающей свой геометрический размер. Он сможет захватывать свет с площади, большей квадрата длины волны. Аномально малая скорость плазмонов в намагниченном графене создает для этого все предпосылки». Подробнее об исследовании можно прочесть в журнале «За науку».