Теги → фотоника
Быстрый переход

Два в одном: фотодиод из перовскита может быть одновременно светодиодом

Учёные продолжают изучать «российский минерал» ― перовскит, впервые найденный примерно 200 лет назад в уральских горах, и находить ему новые применения. Новая разработка позволяет фотодиоду из перовскита одновременно быть светодиодом, для чего достаточно поменять приложенное к диоду смещение на обратное.

Данное открытие сделали учёные из Линчёпингского университете в Швеции. Правда, оно основано на ранних исследованиях учёных из этого университета и некоторых зарубежных академических учреждений. Новое исследование, которое привело к созданию «оптических приборов с двунаправленной связью», было проведено совместно с разработчиками из Шэньчжэньского университета, Технического университета Нанкина, Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики и Китайского университета Гонконга.

«Двуличный» фотодиод (или светодиод) даёт возможность упростить производство электронных схем, в которых необходима оптическая связь между двумя и большим числом приборов. Например, это может быть востребовано для кремниевой фотоники. В зависимости от поданного на диод смещения он может как фиксировать фотоны, так и излучать их. Предложенную схему учёные испытали на практике в устройстве измерения пульса человека. При этом электронные цепи и приборы в передающих и принимающих узлах были абсолютно идентичными (см. фото выше).

Созданный учёными опытный фото-светодиод показал внешнюю квантовую эффективность больше 21 % и оказался способен вырабатывать энергию (захватывать фотоны) мощностью до пиковаттного уровня. Длина волны излучения в режиме светодиода при этом составляла 804 нм (красное свечение). Ждём интересных реализаций этой технологии.

GlobalFoundries без шума заняла до 10 % рынка кремниевой фотоники

Кремниевая фотоника по праву считается одной из самых интересных технологий, наиболее активно развивающихся в последние 10 лет. Рост скорости обмена и низкое потребление, что обещают оптические линии связи, нужны для межчипового, межсистемного, внутригородского и так далее трафика. Без оптики на уровне интерфейса микросхем обеспечить сквозной рост скорости обмена будет очень и очень дорого.

Одной из компаний, которая глубоко вовлечена в кремниевую фотонику, является хорошо известная, но явно ушедшая с передовой полупроводникового производства GlobalFoundries. Она отказалась от внедрения техпроцессов с технологическими нормами менее 12 нм. Вместо этого GlobalFoundries начала совершенствовать техпроцессы на пластинах FD-SOI, обещая высокие скорости и малые утечки там, где другим для этого требовалось внедрять 10- и 7-нм техпроцессы. Также GlobalFoundries начала углубляться в кремниевую фотонику, которая даже на более старых 90- и 45-нм техпроцессах оставалась передним краем борьбы технической и научной мысли.

Надо сказать, что GlobalFoundries взялась за кремниевую фотонику не на пустом месте. Около 5 лет назад она получила в своё владение заводы, технологии, порядка 16 000 патентов, а также специалистов компании IBM. В частности, в руки GlobalFoundries попали накопившиеся за 10 лет наработки специалистов IBM в области выпуска решений для кремниевой фотоники на пластинах SOI применительно к радиочастотным элементам (RFSOI). В GlobalFoundries развили этот опыт и в 2018 году представили техпроцесс 90WG, адаптированный для выпуска компонентов кремниевой фотоники на пластинах диаметром 300 мм.

Годом раньше, что также важно для организации производства кремниевой фотоники на мощностях GlobalFoundries, компания начала сотрудничать со стартапом Ayar Labs. Используя разработки Ayar Labs, компания GlobalFoundries создаёт платформу для выпуска кремниевой фотоники для любых заинтересованных клиентов с использованием 45-нм техпроцесса. Коммерческое производство интегрированных в чипы оптических интерфейсов с использованием техпроцесса 45CLO должно начаться не позднее следующего года. Оптические решения в этом поколении обещают в 10 раз поднять скорость обмена и в 5 раз снизить потребление.

В 2019 году GlobalFoundries также объявила о новом партнерстве с MACOM Technology Solutions. Вместе с MACOM компания GlobalFoundries взялась адаптировать техпроцесс 90WG для платформы MACOM Laser Photonic Integrated Circuit. Это будут сквозные решения от оптики в чипах до магистральных линий с прицелом на облачные решения и сети для развёртывания сетей 5G.

Наконец, выяснилось, что GlobalFoundries вместе с Intel и Ayar Labs работают по программе DARPA PIPES (Photonics in Package for Extreme Scalability). Совместными усилиями эти компании выпустили чиплет со встроенным оптическим интерфейсом. В то же время компания GlobalFoundries не была заявлена как участница программы PIPES. Возможно, она участвует в ней как субподрядчик компании Xilinx. В целом оказалось, что GlobalFoundries потихоньку и без громкой рекламы заняла около 10 % зарождающегося рынка кремниевой фотоники. Это хороший старт для перспективной технологии.

Учёные сделали шаг в сторону ПЛИС на оптических вентилях

Фотоника стала новым фронтиром среди разработчиков интегральных схем. Переход с металлических соединений на оптические снизит потребление чипов и увеличит скорость их работы. Одним из барьеров на этом пути остаётся высочайший разброс параметров активных компонентов «фотонных» микросхем и следующий из этого высокий уровень брака при производстве. Обойти это препятствие поможет исследование нидерландских учёных.

Eindhoven University of Technology/Advanced Optical Materials

Eindhoven University of Technology/Advanced Optical Materials

Группа исследователей из Технологического университета Эйндховена предложила использовать для массового производства фотонных интегральных схем платформу перепрограммируемых матриц ПЛИС (FPGA). Если часть оптических вентилей в составе фотонной ПЛИС будут бракованными, то это не помешает программным способом исключить негодные вентили из схемы. Тем самым уровень выхода годных фотонных интегральных схем можно будет увеличить с 10–20 % до 50–80 %. Но основная хитрость заключается в другом ― в специальном перепрограммируемом материале, за счёт которого можно будет создать матрицу программируемых оптических переключателей.

Прежде чем рассказать об исследовании нидерландских учёных, отметим, что в основе оптических переключателей лежит эффект управляемого и обратимого изменения показателя преломления вещества. Эта величина показывает, насколько скорость распространения света уменьшается по сравнению с распространением скорости света в вакууме. Управляя показателем преломления можно изменить состояние вентиля и перестроить электронную схему.

Это не первое изучение возможностей переключаемых оптических материалов. Но до сих пор подобные переключатели либо требовали значительных объёмов энергии на нагрев или охлаждение материалов в процессе переключения, либо характеризовались высоким уровнем поглощения полезного сигнала. Учёные из Нидерландов смогли обойти оба этих ограничения.

Удивительно, но исследователи воспользовались хорошо известным и крайне негативным в работе обычных кремниевых солнечных элементов эффектом Стаблера-Вронского. Это эффект деградации солнечных элементов под воздействием света и тепла. Но если такой деградировавший элемент оставить в темноте и охладить, кремний в его основе частично возвращает свои полезные свойства.

Созданный учёными оптический коммутатор имеет вид микропетли из гидрированного аморфного кремния. Петля (петли) в течение 100 часов освещали лазером в ближнем инфракрасном диапазоне, а затем медленно охлаждали или отжигали в темноте в течение 4 часов. Выяснилось, что показатель преломления материала петли менялся на 0,3 %. Свет увеличивал этот показатель, а отжиг возвращал в обратное значение. Фактически удалось переключить вентили в заданное положение, а потом полностью сбросить состояние переключателей до исходного.

Величина обратимого изменения показателя преломления на уровне 0,3 % ― это далеко не то, что необходимо для запуска в коммерческое производство. Тем не менее, над снижением эффекта Стаблера-Вронского учёные во всём мире бьются порядка 40 лет. Багаж знаний по этому вопросу позволяет надеяться, что найдутся возможности усилить этот эффект в пользу коммутируемой оптической электроники. В солнечных элементах это было зло, зато для оптических процессоров окажется во благо.

Оптические интерфейсы для процессоров и не только: DARPA выбрала участников программы

Как и электроника, интерфейсы должны развиваться в согласии с законом Мура. Однако обычные проводные соединения уже почти не успевают за многоядерными и производительными чипами. Решить проблему ограниченной пропускной способности без повышения потребления могут оптические интерфейсы, встроенные прямо в микросхемы. В США по программе DARPA этим будут заниматься Intel, Xilinx и ряд лабораторий и университетов.

Для разработки всеобъемлющего, масштабного и сквозного оптического интерфейса для электроники агентство DARPA объявило в 2018 году о запуске программы «PIPES» (Photonics in the Package for Extreme Scalability) или, по-русски, фотоника в упаковке для исключительного (экстремального) масштабирования. На днях после продолжительного изучения предложений кандидатов были выбраны участники этой программы.

Область исследований по программе «PIPES» разбита на три составные части. Первая часть программы нацелена на разработку технологий и решений для интеграции оптических интерфейсов и их элементов в состав (в корпуса, если речь идёт о многокристальной упаковке) микросхем, в частности, в FPGA и ASIC. Этим будут заниматься компании Intel и Xilinx.

Контролировать и направлять работу Intel и Xilinx будут компании американского ВПК Lockheed Martin, Northrop Grumman, Raytheon и BAE Systems. Все они должны изучить и определить сферы применения новых оптических интерфейсов для получения наибольшей выгоды для обороны США. Целью области исследований Intel и Xilinx ставится задача создать интегрированные оптические интерфейсы со скоростью до 100 Тбит/с с энергетическими затратами менее 1 пДж/бит.

Отметим, что в целом перед программой «PIPES» ставятся более грандиозные цели. В перспективе до 2028 года в самых передовых чипах должны появиться встроенные оптические интерфейсы с пропускной способностью в 100 раз выше, чем должны добиться Intel и Xilinx ― до петабита в секунду. Как заявляют в DARPA, «это примерный эквивалент всего мирового интернет-трафика сегодня, но из одного чипа».

Второй областью исследований по программе «PIPES» стала разработка компонентов и узлов передачи оптических сигналов между чипами, блоками и изделиями. Над этими вопросами будут работать Национальные лаборатории Сандия, Калифорнийский университет в Сан-Диего, Калифорнийский университет в Санта-Барбаре, Колумбийский университет и Университет Пенсильвании.

Третья область программы «PIPES» ― это изучение проблем и возможностей системного уровня. Проще говоря, разработка оптических коммутаторов и прочих решений для системных архитекторов. Очевидно, что масштаб задач будет намного больше, чем в случае обычных Ethernet-сетей. Заниматься этой проблемой будет Калифорнийский университет в Беркли. В случае успеха речь может идти о новой парадигме в организации вычислительных платформ, когда локальное хранение данных станет ненужным, настолько быстро информация будет путешествовать по сетям. Но всё это будет нескоро.

Бельгийская разработка обещает недорогую кремниевую фотонику

Полупроводниковые источники и приёмники света уже зарекомендовали себя как незаменимые решения для транспортировки данных по оптоволоконным каналам связи. Но всё это достигается за счёт сравнительно дорогих дискретных компонентов. Для использования оптики в интегральных схемах и для снижения цен на кремниевую фотонику необходима интеграция лазеров в микросхемы. Одной из таких технологий обещает стать разработка бельгийского центра Imec.

Принцип работы полупрводниковго лазера с распределённой обратной связью (изображение Роснано)

Принцип работы полупроводникового лазера с распределённой обратной связью (изображение Роснано)

Центр исследований Imec и британская компания CST Global, которая специализируется на производстве химических соединений из III–V групп таблицы Менделеева, сообщили об успешной интеграции лазеров с распределенной обратной связью (DFB) на основе фосфата индия (InP) в производственную платформу Imec iSiPP (интегрированная платформа кремниевой фотоники). За основу производственной технологии взята платформа InP100 компании CST Global. Проще говоря, Imec воспользовалась наработками CST Global в области создания лазеров на базе фосфата индия и подготовила техпроцесс для промышленного производства интегрированных решений.

В течение 2020 года бельгийские разработчики будут оптимизировать вновь созданный техпроцесс и проверять его со всех возможных сторон. Для клиентов центра техпроцесс в рамках создания опытных прототипов интегрированных полупроводниковых лазеров станет доступным в первой половине 2021 года. Ожидается, что удешевления производства встроенных в микросхемы лазеров приведёт к появлению кремниевой фотоники в сферах, где высокие расходы неприемлемы. Например, для оптической связи чипов друг с другом в компьютерах и даже смартфонах, в датчиках и в других устройствах и приборах.

Гибридный интегрированный лазер Imec

Гибридный интегрированный лазер Imec

Традиционно источники света на основе материалов III–V групп, например, фосфида индия (InP) или арсенида галлия (GaAs), изготавливаются как отдельные дискретные компоненты. Это дороже, они больше и их работа сопровождается потерями. Партнёры в лице Imec и CST Global смогли создать техпроцесс, при котором дискретный компонент лазера InP устанавливается на кремниевую подложку с волноводами. Технология обеспечивает высокую точность совмещения элементов и надёжные связи кристалла лазера с кристаллом подложкой.

Опытный чип, например (см. на картинке выше), представляет собой гибридное решение с мощностью излучения свыше 5 мВт. Это отличный показатель и, очевидно, он будет только улучшаться по мере совершенствования технологии.

Учёные выяснили, что кремний может сохранять проводимость при сверхнизких уровнях заряда

Казалось бы, если в электронике что-то изучено наиболее досконально, то это свойства кремния. Оказалось, что это не так. Исследователи из американского Национального института стандартов и технологий (NIST) придумали новый метод измерения мобильности заряжённых частиц в кремнии, который если не перевернул, то значительно расширил представление о процессах переноса заряда в полупроводниках.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Optics Express. Предложенный учёными метод позволил провести наиболее чувствительные измерения скорости движения электрического заряда в кремнии, а это показатель его эффективности в качестве полупроводника. Как следствие, новый метод позволит точнее оценить влияние на проводимость кремния тех или иных легирующих добавок и создаст основу для улучшения характеристик полупроводниковых приборов. Это шанс улучшить работу чипов практически даром только за счёт лучшего понимания процессов. Провести тюнинг, если так можно выразиться.

Традиционно подвижность электронов и дырок в кремнии измеряли методом Холла. Этот метод предполагает, что на образце кремния (полупроводника) распаиваются контакты для пропускания электрического тока. Недостатком этого способа является то, что в местах пайки образуются дефекты или появляются примеси, которые вносят искажения в результаты измерения.

Для чистоты эксперимента учёные из NIST воспользовались бесконтактным методом. На образец кремния сначала подавался свет слабой интенсивности в виде сверхкоротких импульсов видимого света, а затем образец облучался импульсами излучения в дальнем инфракрасном или микроволновом диапазоне. Слабый видимый свет производил на кремний эффект фотолегирования: в слое кремния возникали заряжённые частицы в виде электронов и дырок.

Видимый свет, по понятным причинам, в толщу кремния проникнуть не мог. Именно для этого фотолегированный образец облучался терагерцевым излучением (в дальнем инфракрасном диапазоне), для которого кремний прозрачен. И чем больше в образце заряжённых частиц, тем больше света проникает или поглощается образцом. При этом важно отметить, что для более точного измерения подвижности электронов в образце его толщина должна была быть довольно большой ― до 1 мм. Это исключало влияние на измерения дефектов на поверхности образца.

В то же время перед исследователями стояла другая проблема. Количество «внесённых» видимым светом электронов и дырок в образце должно было быть как можно меньше, чтобы понизить порог чувствительности при измерениях. Обычно для этого образец облучался одним фотоном, но в случае толстого образца один фотон выбивал в кремнии недостаточно заряжённых частиц. Выход был найден в облучении образца двумя фотонами видимого света. После этого терагерцевое излучение свободно проходило через образец при минимальном числе заряжённых частиц в объёме материала. По утверждению учёных, порог чувствительности удалось понизить в 10 раз со 100 трлн носителей заряда на см2 до 10 трлн.

Как только порог чувствительности был понижен, выяснилось удивительное. Подвижность электронов в кремнии оказалась способна расти даже до весьма разреженного состояния носителей в материале, о чём раньше никто не подозревал. Собственно, сама подвижность оказалась на 50 % выше, чем считалось ранее. Для контрольной проверки подобный эксперимент был проведён с арсенидом галлия (GaAs), тоже светочувствительным полупроводником. Обнаружилось, что подвижность носителей заряда в этом материале продолжает расти по мере снижения их плотности. Измеренный новым методом предел плотности носителей оказался примерно в 100 раз ниже, чем до этого считалось.

Что из всего этого следует? В далёком или не очень далёком будущем полупроводники смогут работать при очень низких уровнях заряда. По крайней мере, теоретический предел отодвинут достаточно далеко. Это и высокочувствительные солнечные панели, и однофотонные детекторы (привет квантовым компьютерам!), сверх энергоэффективная электроника и многое другое.

Команда учёных из России и Великобритании раскрыла загадку на пути к оптическим процессорам

Несмотря на широкое использование оптических линий связи с трансиверами и лазерами, полностью оптическая обработка данных остаётся тайной за семью печатями. Продвинуться на этом пути поможет новое исследование команды учёных из России и Великобритании, которая раскрыла одну из фундаментальных загадок сильного взаимодействия света и органических молекул.

Органика неспроста заинтересовала учёных. Эволюция земных организмов неразрывно связана с взаимодействием со светом. И связана очень сильно! Знание фундаментальных законов этих связей поможет далеко продвинуться в развитии электроники на базе органических материалов. Светодиоды, лазеры и ставшие популярным экраны OLED ― это лишь малая часть индустрии, которая может ускорить свой рост благодаря новым знаниям.

Прорыв в понимании явлений сильного взаимодействия света с органическими молекулами совершила команда учёных из Лаборатории гибридной фотоники Сколтеха и Университета Шеффилда (Великобритания). Принципы сильной связи открывают уникальные возможности для полностью оптической обработки информации без значительных потерь скорости и энергии сигналов при преобразовании в ток, что происходит сегодня. Данному исследованию посвящена статья в Nature Communications Physics (текст на английском языке свободно доступен по этой ссылке).

Как и в случае предыдущих исследований сильных взаимодействий света (фотонов) с веществами, учёные изучали «смешение» фотонов с электронным возбуждением молекул или экситонами. Взаимодействие фотонов с квазичастицами экситонами ведёт к появлению других квазичастиц ― поляритонов. Поляритоны сочетают в себе высокую скорость распространения света и электронные свойства вещества. Проще говоря, фотон как бы овеществляется и обретает свойства близкие к тому же электрону. С этим уже можно работать!

На базе поляритона можно создать работающий транзистор и, в перспективе, процессор. Для такого вычислителя будут не нужны излучающие и фотопреобразующие датчики, которые имеют низкий КПД и малую производительность, и точку в загадке поляритонных взаимодействий сегодня поставила команд из Сколтеха.

«Из экспериментов известно, что при конденсации поляритонов в органике происходит резкий сдвиг спектральных свойств, причём этот сдвиг всегда приводит к увеличению частоты поляритонов. Это является индикатором нелинейных процессов, протекающих в системе, так же, как, например, изменение цвета металла по мере его нагрева».

Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха во главе с профессором Павлосом Лагудакисом

Лаборатория гибридной фотоники Сколтеха во главе с профессором Павлосом Лагудакисом (Фото: Т. Сабиров / Сколтех)

Группа проанализировала экспериментальные данные и установила ключевые зависимости сдвига частоты поляритонов от важнейших параметров взаимодействия света с органическими молекулами. Впервые обнаружено сильное влияние переноса энергии между соседними молекулами на нелинейные свойства поляритонов. Это выявило движущую силу поляритонов. Зная природу механизма, можно развить теорию и подтвердить её практическими экспериментами, например, связать несколько поляритонных конденсатов в единую цепь для построения поляритонных процессоров.

Представлен «световой коммутатор» для автомобилей будущего и компьютеров

Электроны давно зарекомендовали себя как незаменимый носитель сигналов в электронных цепях благодаря малым размерам и хорошему взаимодействию друг с другом и с материалами электронных схем. Фотоны, претендующие на ту же роль, могут делать то же самое быстрее и с меньшими затратами энергии, но они заметно больше электронов, что требует больше энергии на переключение световых потоков, а также они хуже взаимодействуют с материалами. На практике для дальней связи, например, электроны преобразуют в фотоны для передачи по оптическим каналам и на входе в электронику делают обратное преобразование. Было бы заманчиво избежать подобной затратной по всем статьям трансформации и создать оптические коммутаторы, которые бы напрямую управляли фотонами.

Графическое представление массива коммутаторов

Графическое представление массива коммутаторов

Такой коммутатор создали учёные из Института электромагнитных полей при ETH Zurich вместе с американскими коллегами из NIST (National Institute of Standards and Technology) и шведского Технического университета им. Чалмерса в Гётеборге (Chalmers University in Gothenburg). Статья по теме выложена на сайте издания Science. В основе изобретения лежит явление под названием плазмоника. Плазмон ― это квазичастица, представляющая собой облако возбуждённых электронов на поверхности материала. Свет (фотоны), распространяясь вдоль границы между двух материалов в зазоре из воздуха или стекла, частично проникает в материалы и вызывает на их поверхности участки возбуждения ― те самые плазмоны. Тем самым возникает взаимодействие света с материалами, чем можно научиться управлять.

Созданный учёными электроннооптикомеханический переключатель представляет собой решётку из кремниевых или кварцевых волноводов, в местах пересечения которых встроены управляемые коммутаторы. По сути коммутаторы являются оптическими резонаторами, которые без потерь пропускают свет в волноводе по прямой или заставляют его повернуть под углом 90 градусов, если резонанс нарушается.

Сам по себе узел коммутатора ― это круглая золотая мембрана диаметром 4 мкм толщиной 40 нм. Между кремниевой подложкой и мембраной проложена небольшая по диаметру прокладка из оксида алюминия. Тем самым края мембраны могут подниматься или, при подаче питания под действием возникающего электростатического поля, прижиматься к подложке. Когда края мембраны подняты, фотоны беспрепятственно по прямой минуют коммутатор, но когда края опущены, между фотонами и материалом мембраны в зазоре возникают плазмоны. В этот момент фаза световой волны меняется на 180 градусов, условия для резонанса нарушаются и свет огибает мембрану для перенаправления под углом 90 градусов по перпендикулярному волноводу.

По словам учёных, переключение светового канала возможно со скоростью в несколько млн раз в секунду, хотя до пикосекундной скорости переключения модулятор не дотягивает и, следовательно, не подходит для прямой модуляции светового потока. Но даже в таком виде предложенный коммутатор может найти применение в системе компьютерного зрения автопилотов (в лидарах) и в квантовых оптических вычислителях. Самое главное, что технология подходит для выпуска коммутаторов с использованием обычного КМОП-техпроцесса. Управляющее напряжение не превышает 1 В, а электрические характеристики намного лучше, чем у современных более громоздких электроннооптикомеханических аналогов.

Российские учёные представили оптический транзистор, работающий при комнатной температуре

Сегодня для работы с оптикой на уровне электронных схем требуются достаточно сложные и сравнительно крупные элементы: полупроводниковые лазеры, фотоэлементы, волноводы и сопутствующие конструкции для управления световыми потоками в составе чипа. Пока всё это используется только для передачи данных (и от этого уже есть эффект в виде снижения потребления интерфейсов), хотя настоящий прорыв произойдёт только тогда, когда получится создать полностью оптический транзистор. К сожалению, в силу своей физической природы фотоны слабо взаимодействуют друг с другом и с материей. Впрочем, при температурах, близких к абсолютному нулю, в полупроводниках возникают явления тип квантовых колодцев, когда фотон может стать «материальным» ― начать взаимодействовать с материалом и, следовательно, становится управляемым. А управляемый фотон ― это не что иное, как следствие работы полностью оптического транзистора.

Как сообщает информагентство РИА, группа учёных из «Сколтеха» совместно с исследователями из цюрихского центра компании IBM создали оптический транзистор, способный работать при комнатной температуре. Информация о разработке представлена на сайте журнала Nature Photonics (к полной статье доступ платный). Повысить рабочую температуру оптического транзистора до окружающей удалось благодаря переходу на такой органический материал (полимер), как полипарафенилен (MeLPPP). Этот материал также как полупроводники характеризуется наличием квантовых колодцев ― чередующихся зон с меньшей шириной запрещённой зоны, окружённых участками с большей шириной запрещённой зоны. Но и это не всё.

Оперировать приходится не чистым фотоном, а квазичастицей, которая возникает в ходе взаимодействия фотона и элементарного возбуждения среды (материала). Такая виртуальная частица называется поляритон. В данном случае учёные научились управлять экситон-поляритоном (exciton-polaritons). Эта квазичастица возникает при взаимодействии фотонов с возбуждением в диэлектрике. Тем самым задача по созданию оптической логики разбивается на две части. Фотоны превращаются в экситон-поляритоны (происходит как бы расщепление светового потока или вычленение квазичастиц), и только потом появляется возможность использовать экситон-поляритоны для переключения и усиления сигнала, что аналогично работе транзистора.

Конструктивно поляритон представляет собой оптический резонатор из двух отражающих волны зеркал вокруг квантового колодца со световой волной внутри. Квантовый колодец в данном случае ― это атом активного материала с вращающимся вокруг него электроном. Эта структура может поглощать фотон и излучать его. Эксперименты с подобным оптическим «транзистором» показали, что структура демонстрирует усиление на уровне 10 дБ мкм-1 и скорость переключения быстрее пикосекунды. Что важно, на основе оптического транзистора учёные создали каскадный усилитель и логические элементы, а не просто доказали работоспособность отдельной транзисторной структуры. Что же, процессоры на оптических транзисторах обретают какие-то контуры. Когда-нибудь они могут стать реальностью.

Билл Гейтс и Трэвис Каланик инвестируют в стартап Luminous, разрабатывающий оптический ИИ-чип

Основатель Microsoft Билл Гейтс (Bill Gates) вместе с сооснователем Uber Трэвисом Калаником (Travis Kalanick) и его венчурным фондом 10100, а также совместно с нынешним генеральным директором Uber Дара Хосровшахи (Dara Khosrowshahi), инвестировали в Luminous, небольшой стартап, работающий над созданием собственного оптического чипа для обучения искусственного интеллекта. При дополнительной поддержке венчурных фондов Gigafund во главе с Люком Носеком (Luke Nosek) и Стивеном Оскуи (Stephen Oskoui), и Neo, основанного Али Партови (Ali Partovi), стартап собрал 9 миллионов долларов в первом раунде финансирования.

Стартап Luminous, занимающийся разработкой оптического ИИ чипа, получил 9 миллионов долларов инвестиций в первом раунде финасирования от группы инвесторов, в том числе Билла Гейтса и Трэвиса Каланика

Стартап Luminous, занимающийся разработкой оптического ИИ-чипа, получил 9 миллионов долларов инвестиций в первом раунде финансирования от группы инвесторов, в том числе Билла Гейтса и Трэвиса Каланика

Инвестиции показывают, что ключевые фигуры в технологической отрасли считают, что всё ещё есть большой потенциал для появления нового стандарта, когда речь заходит об аппаратном обеспечении для ИИ. «Я всегда предпочитаю делать ставки на талантливую молодую команду, а не на крупную устоявшуюся компанию», — поделился мнением один из инвесторов Али Партови в своём письме для портала CNBC. «Несмотря на то, что существует определённая масса рисков, именно поэтому стоит инвестировать сейчас: если гонка уже закончилась, инвестировать было бы слишком поздно».

«Современные компании и стартапы часто пытаются добиться успеха с помощью специализированных чипов, которые могут работать с моделями искусственного интеллекта», — сказал в интервью для CNBC соучредитель и генеральный директор Luminous Маркус Гомес (Marcus Gomez). Цель компании Маркуса, состоящей из семи человек, состоит в том, чтобы создать чип, который в одиночку сможет заменить 3000 плат с тензорными процессорами от Google.

Когда Google вступила в бизнес искусственного интеллекта — это был смелый шаг. Компания взяла дело в свои руки вместо того, чтобы полагаться на видеокарты NVIDIA, которые стали крайне популярными среди исследователей для обучения моделей ИИ с огромными базами данных. Сейчас облачный сервис Google применяет собственные тензорные процессоры для обучения ИИ, но компания не продаёт эти чипы кому-либо, используя их только для собственных продуктов.

Luminous, с другой стороны, хочет продавать свои чипы всем заинтересованным компаниям. Их смогут приобрести облачные провайдеры, такие как Google или Amazon Web Services, кроме того, ими могут заинтересоваться компании, которые производят беспилотные летательные аппараты, роботы или автомобили с автоматическим управлением.

Маркус, который до этого работал в Google и Tinder Match Group, рассказывает, что в Tinder утром он мог начать тренировать модель ИИ в облаке, а затем проверить результат обучения только вечером. По мнению Маркуса, эта ситуация должна измениться в ближайшем будущем. «Обучение системы ИИ по-прежнему занимает дни, в то время как это может требовать всего несколько минут», — сказал Гомес в недавнем интервью порталу TechCrunch.

Luminous рассматривает использование кремниевой фотоники как способ отличить себя от компаний со схожими устремлениями, например, таких как Graphcore. Кремниевая фотоника обеспечивает максимально быструю передачу данных с помощью света на небольшом расстоянии, например, внутри серверов, подобно тому, как оптоволоконные кабели могут быстро перемещать данные на большие расстояния. Подход, используемый Luminous, опирается на проведенные в прошлом исследования нейрономорфной фотоники техническим директором стартапа Митчеллом Намиасом (Mitchell Nahmias) в Принстонском университете.

В то же время Luminous — не единственная компания, работающая в данном направлении, несколько других стартапов, таких как Lightmatter и Lightelligence, также изучают использование кремниевой фотоники для ускорения обучения ИИ. При этом холдинг Alphabet, владеющий Google, уже инвестировал в Lightmatter, а Lightelligence поддержал китайский поисковый гигант Baidu. 

Гомес отметил, что трудно сказать, когда первые чипы его компании станут коммерчески доступными. «Мы используем точно такие же технологии, которые используют и все остальные, и, как следствие, наши сроки достаточно похожи», — сказал он. Тем не менее, Маркус утверждает, что у них уже есть работающий прототип, и он подчеркнул, что будущий запуск чипа от Luminous — это не какая-то отдалённая фантазия. Компания, как минимум, планирует выпустить комплекты для разработчиков в течение следующих нескольких лет.

В Бельгии начали разрабатывать сверхъяркие тонкоплёночные светодиоды и лазеры

Сверхъяркие светодиоды и лазеры прочно вошли в нашу жизнь и используются как для обычного освещения, так и в разного рода измерительной электронике. Перевести эти полупроводниковые приборы на новый уровень могли бы технологии производства с использованием тонкоплёночных структур. Например, тонкоплёночные транзисторы сделали технологию производства жидкокристаллических панелей повсеместной и доступной, что было бы невозможно в случае одних лишь дискретных транзисторов.

Пол Херманс (Paul Heremans)

Пол Херманс (Paul Heremans)

В Европе задача разработать технологию производства тонкоплёночных светодиодов и полупроводниковых лазеров поставлена известному бельгийскому учёному микроэлектронщику Полу Хермансу (Paul Heremans). Панъевропейский совет European Research Council (ERC), распределяющий средства на перспективные разработки в Европе, выделил Полу Хермансу грант на пять лет в размере 2,5 млн евро. Это не первый грант ERC, который получил Херманс. За свою карьеру в бельгийском исследовательском центре Imec он возглавил много успешных проектов в области разработки полупроводников, в частности, в 2012 году Херманс получил грант на проект по производству кристаллических органических полупроводников.

Тонкоплёночные светодиоды и лазеры также предполагается разрабатывать с использованием органических материалов. Сегодня тонкоплёночные светодиоды обладают яркостью, которая в 300 раз слабее, чем у дискретных сверхъярких светодиодов на основе материалов из III-V групп таблицы Менделеева. Задачей Херманса станет приблизить яркость тонкоплёночных структур к возможностям их дискретных собратьев. При этом выпускать тонкоплёночные структуры можно будет на тонких и гибких подложках из целого спектра материалов, включая пластик, стекло и металлическую фольгу.

Продвижение на данном фронте позволит совершить прорыв на массе перспективных направлений. Это и кремниевая фотоника, и дисплеи для гарнитур дополненной реальности, и лидары для самоуправляемых автомобилей, и спектрометры для индивидуальных диагностических систем и многое-многое другое. Что же, пожелаем ему удачи в исследованиях и ждём интересных новостей.

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

window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥