Около шести лет назад международная группа учёных при участии исследователей из «Сколтеха» разработала полностью оптический универсальный логический вентиль — перспективную альтернативу электронным транзисторам. Такие оптические переключатели способны работать при крайне низком энергопотреблении и в десятки, а то и сотни раз быстрее кремниевых аналогов. В новой работе учёные протестировали устройство на пределе его возможностей и выявили ключевые ограничения.

Схематическое представление органического микрорезонатора, работающего как логический элемент, у которого выходной сигнал зависит от синхронизации входных импульсов и от того, было ли исчерпано предыдущее состояние. Источник изображения: Physical Review B 2025

Сегодняшним компьютерам нужны всё более быстрые процессоры, однако традиционная полупроводниковая электроника сталкивается с физическими пределами: при высоких тактовых частотах компоненты перегреваются. Решением могут стать оптические системы, способные работать в тысячу раз быстрее. Исследователи из «Сколтеха» и немецких институтов продолжили развитие своей ранней разработки и изучили, как повысить её быстродействие.

Созданный ранее оптический вентиль, реализующий универсальную логическую операцию NOR, основан на поляритонных конденсатах — квазичастицах, объединяющих свойства фотонов и экситонов. В отличие от электронов, фотоны не взаимодействуют между собой, поэтому для управления логикой применяются экситон-поляритоны. Такие устройства работают при комнатной температуре, не используют электрический ток и потому лишены связанных с ним ограничений — потерь энергии и сравнительно низкой скорости.

Новая работа, опубликованная в журнале Physical Review B (а также доступная на arXiv.org), посвящена изучению остаточных эффектов в работе логического элемента, ограничивающих его скорость. В частности, исследователи рассмотрели явление бимолекулярного гашения — процесса, при котором взаимодействие между поляритонами приводит к потерям, замедляющим переключение между логическими состояниями 0 и 1.

«Скорость работы поляритонных транзисторов определяется тем, насколько быстро могут выполняться последовательные логические операции. Для этого требуется достаточное количество поляритонов, оставшихся от предыдущего состояния «1», чтобы обеспечить чёткое различие между логическими состояниями «1» и «0». По мере увеличения рабочей частоты остаточные поляритоны от первого импульса могут непреднамеренно усиливать второй импульс, создавая, таким образом, паразитное усиление при некоторой ненулевой временной задержке между последовательностями импульсов», — поясняют авторы работы.

Согласно полученным данным, логический вентиль способен работать на частоте до 240 ГГц — это один из самых высоких показателей для оптических логических элементов. Как отметил первый автор статьи, аспирант программы «Физика» в «Сколтехе» Михаил Миско, для достижения такой частоты необходимо учитывать влияние делокализации поляритонов, приводящей к дополнительным потерям.

Кроме того, учёные установили, что для эффективного функционирования устройства длительность управляющих импульсов должна быть короче, чем время характерных потерь в системе. Это открывает путь к более точному управлению поляритонной динамикой и расширяет возможности оптических логических схем.

Полученные результаты подтвердили теоретические модели и позволили сопоставить данные из различных экспериментов. Это ещё один важный шаг на пути к созданию оптических компьютеров, которые смогут работать в сотни раз быстрее современных электронных систем.

Отправившийся на прошлой неделе в турне по Китаю и Тайваню основатель и бессменный руководитель Nvidia Дженсен Хуанг (Jensen Huang) на своей исторической родине время проводил с пользой для дела, встречаясь с тайваньскими партнёрами. С компанией TSMC было заключено соглашение о сотрудничестве в сфере кремниевой фотоники.

Источник изображения: Nvidia

Как поясняет Focus Taiwan со ссылкой на пояснения представителей обеих компаний, такое соглашение само по себе не означает, что результаты сотрудничества будут видны в ближайшее время. Скорее всего, на создание серийных решений в этой сфере уйдут годы. Кремниевая фотоника позволяет значительно повысить скорости передачи данных в вычислительных системах за счёт перехода на фотоны в качестве носителей информации и оптоволокно в качестве канала её передачи.

На Тайване уже создана отраслевая ассоциация Silicon Photonics Industry Alliance, которая объединяет более 30 местных компаний, поэтому Nvidia со своей инициативой пришла не на пустое место. Для лидера в сегменте высокопроизводительных вычислений снижение энергопотребления при повышении скоростей передачи информации имеет особое значение, поэтому Nvidia и заинтересовалась кремниевой фотоникой, поскольку она позволяет передавать информацию на большие расстояния с малыми энергозатратами.

Воспользовавшись случаем, глава Nvidia выразил признательность всем сотрудникам TSMC за ту поддержку, которую они оказывают его компании в форме активного выпуска компонентов и их упаковки по передовым технологиям. Nvidia также заключила соглашение с тайваньской компанией SPIL, которая является подразделением ASE Technology, в сфере контрактной упаковки чипов по методу CoWoS на новом предприятии в центральной части острова. Этот подрядчик приступит к профильной деятельности со второго квартала текущего года, позволив снизить зависимость Nvidia от TSMC в данной сфере. Партнёры Nvidia располагают примерно 45 предприятиями на Тайване.

По словам Хуанга, бум систем искусственного интеллекта до сих пор находится на начальных этапах, поэтому участники рынка имеют возможность получить несколько триллионов долларов выручки. Высокие темпы развития сегмента поддерживаются и компанией TSMC, которая буквально «работает круглосуточно» для выполнения заказов Nvidia.

Непосредственно с компанией SPIL американский заказчик сотрудничает уже лет десять, но объёмы заказов выросли за это время в десять раз, и только в прошлом году они удвоились, поскольку Nvidia были нужны услуги по упаковке чипов методом CoWoS. Перевес в пользу более совершенного метода CoWoS-L, по словам основателя Nvidia, вовсе не говорит о снижении объёмов заказов на соответствующие услуги. Напротив, потребность компании в них только увеличится в текущем году. Отдавая дань важности Тайваня для бизнеса Nvidia, основатель компании отметил, что до сих пор не выбрал место, где на острове будет построена региональная штаб-квартира.

Бельгийский исследовательский центр Imec сообщил о прорыве в производстве лазерных диодов в рамках классического КМОП-процесса. Традиционно для этого использовались подложки из редких элементов и соединений, тогда как недорогой кремний всегда оставался за бортом. Это затрудняло развитие кремниевой фотоники, поскольку выращивание лазерных элементов в составе обычных чипов было невозможно. Опыт Imec меняет ситуацию: теперь лазеры можно выращивать на кремнии.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

Для выращивания лазеров с использованием элементов III-V группы таблицы Менделеева традиционно применялись подложки из соединений тех же групп, например, арсенида галлия, фосфида индия и других. Обычно после наращивания полупроводниковых лазерных структур подложки утилизировались, а сами лазеры приходилось каким-либо образом закреплять на кремнии, если речь шла о приложениях кремниевой фотоники. Это было сложно, дорого и не способствовало устойчивому экологически чистому производству. Выращивание лазеров непосредственно на кремниевых структурах могло бы значительно упростить развитие оптических вычислений и других областей.

Одной из основных сложностей в производстве лазеров на кремнии были различные коэффициенты теплового расширения материалов. В Imec удалось решить эту проблему благодаря созданию своеобразных буферных зон — канавок вокруг площадок, на которых наращивались лазерные структуры из арсенида галлия, а также за счёт использования оригинальной ребристой наноструктуры диодов. В результате разработки удалось изготовить GaAs-лазеры на пилотной литографической линии на обычной 300-мм кремниевой пластине с применением КМОП-процесса.

Источник изображения: Imec

Созданные таким образом полупроводниковые лазеры с длиной волны 1020 нм продемонстрировали способность излучать до 1,75 мВт оптической мощности при минимальном пороговом токе 5 мА. Лазеры показали устойчивую работу при комнатной температуре, что открывает им путь в такие области, как интенсивные вычисления, компьютерное зрение и другие перспективные направления.

Международная группа учёных сделала решающий шаг к более быстрому и энергоэффективному искусственному интеллекту и обработке данных в целом, открыв люминесцентные нанокристаллы, которые можно быстро переключать между светящимся и выключенным состоянием. Тем самым открывается возможность для вычислений буквально со скоростью света, отказавшись от электронов и перейдя на использование фотонов в микросхемах.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.1/3DNews

«Исключительные возможности переключения и памяти этих нанокристаллов могут однажды стать неотъемлемой частью оптических вычислений — способа быстрой обработки и хранения информации с использованием лёгких частиц, которые движутся быстрее всего во Вселенной», — сказал Артем Скрипка (Artiom Skripka), доцент Научного колледжа Университета штата Орегон. Работа по исследованию опубликована 3 января 2025 года в журнале Nature Photonics.

Исследование посвящено изучению возможностей наночастиц с лавинообразными характеристиками. Такие материалы демонстрируют чрезвычайно нелинейные свойства, в частности, светоизлучающие. Небольшое увеличение мощности возбуждающего излучения способно значительно повысить интенсивность их собственного свечения. Это можно использовать для экономии энергии на работу схем — достаточно довести наночастицы до состояния, близкого к лавинообразному возбуждению и затем работать лишь с небольшими порциями энергии для источника возбуждения.

Исследователи изучали нанокристаллы, состоящие из калия, хлора и свинца и легированные неодимом. Сами по себе нанокристаллы KPb₂Cl₅ не взаимодействуют со светом. В сочетании с неодимом материал начинает эффективно обрабатывать световые сигналы, делая его полезным для оптоэлектроники, лазерных технологий и других оптических решений.

«Обычно люминесцентные материалы излучают свет, когда на них воздействует лазер, и остаются темными, когда это не так, — сказал Скрипка. — Напротив, мы были удивлены, обнаружив, что наши нанокристаллы ведут параллельные жизни. При определенных условиях они демонстрируют своеобразное поведение: они могут быть как яркими, так и тёмными при точно такой же длине волны лазерного излучения и мощности».

Такое поведение называется внутренней оптической бистабильностью. Присущая нанокристаллам оптическая бистабильность — это шаг вперед к созданию фотонных интегральных схем, которые могут превзойти современные электронные и оптоэлектронные системы и обладать большей эффективностью.

Источник изображения: Artiom Skripka, OSU College of Science

«Если кристаллы изначально тёмные, нам нужна более высокая мощность лазера, чтобы включить их и наблюдать излучение, но как только они начнут излучать, мы сможем наблюдать их излучение при более низкой мощности лазера, чем нам требовалось для их первоначального включения, — говорит Скрипка. — Это как езда на велосипеде — чтобы привести его в движение, нужно сильно нажимать на педали, но как только он приходит в движение, вам требуется меньше усилий, чтобы двигаться. А их свечение можно включать и выключать действительно резко, как при нажатии кнопки».

Переход на оптические сигналы обещает значительно снизить потребление фотонных вычислительных платформ где бы они ни применялись. Также это путь к новым приложениям в медицине, в датчиках и во многих других областях. Но стадия исследований ещё не завершена. Чтобы пройти её до коммерческих продуктов, потребуется ещё много работы.

Последние двадцать лет вычисления и связь переходят на оптические интерфейсы. Это уже произошло на магистральных линиях связи, но всё ещё буксует в пределах центров по обработке данных и на уровне межчиповых и межкомпонентных связей в компьютерах. В идеале сигнал должен сразу исходить из процессора в виде оптических импульсов и дальше направляться либо в чип по соседству, либо в соседние стойки, зал и даже за его пределы. IBM выбрала этот путь.

Слот CPO для установки на чип внешнего оптического «кабеля». Источник изображений: IBM

Оптика выгодно отличается от меди (токопроводящих соединений) малым весом, дешевизной, низкими помехами (наводками), высокой скоростью передачи, малым потреблением энергии и, в целом, позволяет повысить пропускную способность без увеличения энергопотребления. Возможность использования оптических линий связи уже заложена во все последние стандарты Ethernet, а также в стандарты PCIe. Ближе всех к интеграции оптических линий в процессоры (ускорители) в своё время подошла компания Intel с платформой Light Peak. И хотя Intel давно свернула разработку этой платформы, идея не умерла и сегодня находит продолжение в новом оптическом интерфейсе Intel OCI (Open Compute Project Interconnect Link).

Сегодня настала очередь IBM сообщить о прорыве на направлении интегрированных в процессоры оптических интерфейсов. Как и Intel, интегрированная оптика IBM берёт своё начало в разработках по кремниевой фотонике, которые обе компании начали более 20 лет назад. Новый интегрированный интерфейс IBM называется co-packaged optics (CPO). Дословно это переводится как «соупакованная» или «комбинированная» оптика — дополнительный канал передачи данных. Он не заменяет проводную разводку на материнской плате и кабели внутри компьютера и между стойками, а дополняет их высокоскоростным и энергоэффективным интерфейсом.

В качестве проводника света для интерфейса CPO выбрано недорогое полимерное оптоволокно PWG (polymer optical waveguide). Компания представила рабочий прототип интерфейса (платформы) с оптоволокном PWG толщиной 50 мкм и готова масштабировать его до оптоволокна менее 20 мкм толщиной. Спецификации интерфейса CPO позволяют организовать обмен данными между чипами, платами и стойками, или, проще говоря, работать на расстоянии от нескольких сантиметров до сотен метров.

Если предложенное IBM техническое решение найдёт применение и понимание в отрасли, это приведёт к снижению затрат на масштабирование платформ генеративного искусственного интеллекта благодаря более чем пятикратному снижению энергопотребления по сравнению с электрическими соединениями среднего класса, одновременно увеличив длину соединительных кабелей в центрах обработки данных с одного до сотен метров.

Также можно ожидать ускорения обучения моделей искусственного интеллекта, что позволит разработчикам обучать большие языковые модели (LLM) в пять раз быстрее, чем при использовании обычных проводных интерфейсов. Технология CPO может сократить время, необходимое для обучения стандартной LLM, с трёх месяцев до трёх недель. Это также обеспечит прирост производительности за счёт использования более крупных моделей и большего количества графических процессоров, что сократит простой оборудования.

Наконец, технология CPO значительно повысит энергоэффективность центров обработки данных, сэкономив энергию, эквивалентную годовому потреблению 5000 домов в США, на одно обучение модели искусственного интеллекта.

«Поскольку генеративный ИИ требует всё больше энергии и вычислительных ресурсов, центры обработки данных должны развиваться, а комбинированная оптика может сделать их более перспективными, — сказал Дарио Хиль (Dario Gil), старший вице-президент и директор по исследованиям IBM. — Благодаря этому прорыву чипы завтрашнего дня будут передавать данные так же, как волоконно-оптические кабели передают информацию в центры обработки данных и из них, открывая новую эру более быстрых и устойчивых коммуникаций, способных справляться с рабочими нагрузками искусственного интеллекта будущего».

Подробную информацию о новом интерфейсе исследователи IBM изложили в статье, опубликованной на сайте arXiv.org. Новые оптические структуры с высокой плотностью пропускной способности, в сочетании с передачей нескольких длин волн по одному оптическому каналу, потенциально увеличат пропускную способность между чипами в 80 раз по сравнению с электрическими соединениями.

Тестирование оптических интерфейсов IBM

Экспериментальная платформа прошла все необходимые стресс-тесты для производства. Компоненты подвергались воздействию высокой влажности и температур в диапазоне от −40 °C до +125 °C, а также испытаниям на механическую прочность, чтобы подтвердить, что оптические соединения могут изгибаться без разрушения или потери данных. Кроме того, исследователи продемонстрировали технологию PWG с шагом 18 мкм. Объединение четырёх блоков PWG с таким шагом позволит подключать до 128 каналов. В конечном итоге это обеспечит плотность передачи до 10 Тбит/мм².

Группа из учёных Массачусетского технологического института и их зарубежных коллег создала, как они утверждают, первый полностью фотонный процессор для приложений искусственного интеллекта. Фотонный процессор работает не хуже аналогов на кремниевых транзисторах, но проводит вычисления с намного меньшим потреблением энергии. Это особенно важно для создания «думающей» периферии — лидаров, камер, устройств связи и другого, к чему теперь открыта прямая дорога.

Источник изображения: Sampson Wilcox, Research Laboratory of Electronics

Основная проблема при создании полностью фотонного чипа для ИИ заключается в том, что свет хорошо справляется с линейными вычислениями, тогда как нелинейные вычисления производятся с существенными затратами энергии. Для проведения последних необходимы специальные блоки, ведь фотоны реагируют друг с другом только в особых условиях. Поэтому прежде линейные операции, например, умножение матриц, проводились фотонным блоком, а для нелинейных вычислений световой сигнал переводился в форму электрического импульса и дальше обрабатывался по старинке — обычным процессором из кремниевых транзисторов.

Учёные из MIT поставили перед собой цель создать единый процессор, у которого на вход подавался бы световой сигнал и световой же сигнал был бы на выходе без использования кремниевых сопроцессоров. По их словам, используя предыдущие работы и находки зарубежных коллег, они добились поставленной задачи.

Разработанное исследователями оптическое устройство смогло выполнить ключевые вычисления для задачи классификации с помощью машинного обучения менее чем за половину наносекунды, при этом достигнув точности более 92 % — это производительность, которая находится на одном уровне с традиционным оборудованием. Созданный чип состоит из взаимосвязанных модулей, образующих оптическую нейронную сеть и изготовлен с использованием коммерческих литографических техпроцессов, что может обеспечить масштабирование технологии и её интеграцию в современную электронику.

Учёные обошли проблему с нелинейными фотонными вычислениями интересным образом. Они разработали интегрированный в оптический процессор блок NOFU — нелинейно-оптический функциональный блок, который позволил задействовать электронные цепи вместе с оптическими, но без перехода к внешним операциям. По-видимому, блок NOFU был выбран как компромисс между чисто фотонными нелинейными схемами и классическими, электронными.

Вначале система кодирует параметры глубокой нейронной сети в световых импульсах. Затем массив программируемых светоделителей выполняет матричное умножение входных данных. Потом данные передаются в программируемый слой NOFU, где реализуются нелинейные функции, передавая световые сигналы на фотодиоды. Последние, в свою очередь, транслируют световой сигнал в электрические импульсы. Поскольку этот этап не требует внешнего усиления, блоки NOFU потребляют очень мало энергии.

«Мы остаемся в оптической области всё время, до конца, когда хотим считать ответ. Это позволяет нам добиться сверхнизкой задержки», — говорят авторы исследования.

На конференции по высокопроизводительным вычислениям SC24 в Атланте пионер в технологиях твердотельного фотонного охлаждения чипов Maxwell Labs сообщил о готовности лицензировать свою уникальную технологию заинтересованным компаниям. С её помощью тепло от процессоров и графических ускорителей в ЦОД можно превращать в световое излучение, собирать с помощью фотоэлектрических ячеек, преобразовывать в электричество и снова использовать в работе.

Источник изображений: Maxwell Labs

В свободный доступ попали только рекламные слайды, не раскрывающие сути технологии. Рассказ о разработке MXL-Gen1 будет доступен по предварительной записи избранным партнёрам. В декабре 2024 года Maxwell Labs обещает организовать раннюю демонстрацию прототипа системы фотонного охлаждения и готова будет принимать заказы на проектирование систем по заявкам заинтересованных компаний.

В июле 2025 года начнётся второй этап программы. Для участников предварительной программы будут созданы стендовые решения для испытаний систем фотонного охлаждения в условиях, поставленных заказчиками, а также для формирования мнений и оценок о системе революционного охлаждения. Третий этап намечен на январь 2026 года, когда начнётся проектирование систем фотонного охлаждения для стоек и серверов.

В общем случае Maxwell Labs обещает за счёт более прогрессивного и эффективного охлаждения CPU и GPU добиться трёхкратного роста производительности и десятикратного повышения плотности вычислений. Кроме того, излучённое тепло (свет) можно будет снова использовать для вычислений.

Отсутствие какой-либо информации о технологии MXL-Gen1 заставляет с сомнением воспринимать заявления компании. В то же время надо понимать, что свет — это также фотоны инфракрасного диапазона и технологии радиационного охлаждения давно работают, хотя и не в заявленной сфере. Делать из этого секрет, по меньшей мере, странно. Остаётся только подождать конкретики.

Дальность захвата образцов классическим оптическим пинцетом ограничена микрометрами. Учёные из Массачусетского технологического института смогли на порядки увеличить это значение, что навсегда изменит работу с биоматериалами. Более того, устройство с лучом захвата устроено на чипе, а это путь к массовому и недорогому производству портативных биолабораторий.

Источник изображения: MIT

«Эта работа открывает новые возможности для оптических пинцетов на основе чипов, позволяя захватывать и выделять клетки на гораздо больших расстояниях, чем демонстрировалось ранее. Интересно подумать о различных приложениях, которые могут быть реализованы с помощью этой технологии», — сказала Елена Нотарос (Jelena Notaros), профессор MIT в области электротехники и компьютерных наук (EECS).

Благодаря новой разработке дальность действия «притягивающего луча» возросла до 5 мм. Кажется, какая малость? Но по сравнению с микрометрами — это колоссальный прогресс и улучшение. Раньше для манипулирования биоматериалами — фрагментами ДНК или клетками (на большие объекты оптические пинцеты не рассчитаны) — образцы требовалось выкладывать на предметные стёкла, что нарушало стерильность и грозило риском загрязнения. Устройство инженеров MIT бьёт так далеко, что способно работать с образцами не вынимая их из стерильных контейнеров. Надо ли говорить, что это ускорит работу и исследования? Ведь больше не нужно тратить время на мероприятия по обеспечению стерильности.

Добиться настолько выдающегося результата исследователи смогли, когда представили оптический излучатель на чипе в виде фазированной оптической решётки. Это обеспечило точную фокусировку и усиление луча на большей дальности, чем в случае намного более громоздких и дорогих традиционных лазерных оптических пинцетов.

«С помощью кремниевой фотоники мы можем взять эту большую, типично лабораторную систему [оптического пинцета] и интегрировать её в чип. Это отличное решение для биологов, поскольку оно предоставляет им функции оптического улавливания и выщипывания [биоматериалов] без дополнительных затрат на сложную установку объёмной оптики», — поясняют авторы работы, опубликованной в журнале Nature Communications.

Китай заявил о значительном прорыве в области кремниевой фотоники для производства полупроводников. Государственная лаборатория JFS в Ухане, являющаяся национальным центром исследований в области фотоники, впервые успешно соединила лазерный источник света с кремниевым чипом. Это достижение, по мнению китайских СМИ, может помочь стране преодолеть существующие технические барьеры в проектировании микросхем и достичь самодостаточности в условиях санкций США.

Источник изображения: Copilot

JFS, основанная в 2021 году и получившая государственную поддержку в размере 8,2 млрд юаней ($1,2 млрд), является одним из ключевых институтов Китая, занимающихся разработкой передовых технологий. Как отмечают в JFS, новая технология использует для передачи данных оптические сигналы вместо электрических, что позволяет преодолеть ограничения традиционных чипов, связанных с физическими пределами передачи электрических сигналов и создавать более быстрые и мощные чипов для обработки больших данных, графики и искусственного интеллекта.

Интерес к кремниевой фотонике проявляют не только в Китае. Крупнейшие игроки мировой полупроводниковой индустрии, такие как TSMC, Nvidia, Intel и Huawei, также инвестируют значительные средства в развитие этой технологии. По оценкам SEMI, международной ассоциации полупроводниковой промышленности, мировой рынок кремниевых фотонных чипов к 2030 году достигнет $7,86 млрд по сравнению с $1,26 млрд в 2022 году. Вице-президент TSMC Дуглас Юй Чен-хуа (Douglas Yu Chen-hua) заявил в прошлом году, что «хорошая система интеграции кремниевой фотоники может решить критические проблемы энергоэффективности и вычислительной мощности в эпоху ИИ, что приведет к смене парадигмы в отрасли».

Отметим, что для Китая кремниевая фотоника представляет особую ценность. В отличие от традиционных чипов, для производства фотонных чипов не требуются высокотехнологичные установки экстремальной ультрафиолетовой литографии (EUV), на экспорт которых в Китай наложены ограничения США. «Кремниевые фотонные чипы могут производиться внутри страны с использованием относительно зрелых материалов и оборудования», — заявил в 2022 году Суй Цзюнь (Sui Jun), президент пекинского стартапа Sintone, занимающегося разработкой полупроводников.

Эксперты считают, что кремниевая фотоника может стать «новым фронтом в технологическом соперничестве США и Китая». «Хотя экспортный контроль со стороны США, вероятно, сдерживает возможности Китая в производстве традиционных чипов, это также может непреднамеренно стимулировать Китай к выделению большего количества ресурсов на новые технологии, которые будут играть важную роль в полупроводниках следующего поколения», — написал Мэтью Рейнольдс (Matthew Reynolds), бывший сотрудник Центра стратегических и международных исследований (CSIS).

Учёные Байройтского университета (Германия) и Мельбурнского университета (Австралия) разработали переключаемый оптический блок для хранения и считывания двоичной информации при помощи света. Проект обещает стать большим шагом на пути к построению полностью оптического компьютера, в котором для обработки и хранения данных используются фотоны, а не электроны, как в актуальных чипах.

Источник изображения: phys.org

Учёные применили эти логические вентили для обработки информации исключительно с использованием света — они произвели несколько циклов чтения, записи и стирания на полимерных сферах, чтобы записать алфавит на одном и том же участке массива микроструктур. Учёные работают над созданием полностью оптического логического вентиля уже более десяти лет, и данный проект представляет собой пример практического применения этой технологии. Он поможет перенести обработку и хранение данных с электронов на фотоны и снизить потребляемую мощность систем.

Фотонные вычисления сулят и другие выгоды: можно работать не только с силой сигнала (количеством фотонов), но также с длиной волны (цветом) и поляризацией (направлением колебаний) — что даст широкий набор сигналов. Один оптический вентиль сможет обрабатывать сразу несколько сигналов, что в перспективе позволит удвоить, утроить или даже вчетверо повысить вычислительную мощность одного оптического процессора.

Фотоны движутся быстрее и эффективнее электронов. Поэтому для передачи данных на большие расстояния используются оптоволоконные кабели. Их применение в логических вентилях способно стать важным практическим шагом в использовании фотонов при обработке данных.

Компания Intel совершила прорыв в технологии интегрированной фотоники, представив первый полностью интегрированный чиплет оптического вычислительного соединения (OCI), совмещённый с процессором Intel и работающий с большими данными в реальном времени.

Источник изображения: Intec.com

Представленный на конференции по оптоволоконной связи (OFC) 2024, чиплет OCI предназначен для поддержки 64 каналов передачи данных на скорости 32 Гбит/с в каждом направлении, используя оптическое волокно длиной до 100 метров. Этот инновационный продукт отвечает растущим потребностям инфраструктуры AI в повышении пропускной способности, снижении энергопотребления и увеличении дальности связи. OCI открывает новые возможности для масштабирования архитектуры вычислительных кластеров, обеспечивая согласованное расширение памяти и более эффективное использование ресурсов.

По мере глобального распространения приложений на основе ИИ и разработки больших языковых моделей (LLM) необходимость в более мощных вычислениях машинного обучения (ML) становится всё более насущной. Чтобы идти в ногу с этими потребностями, требуется экспоненциальный рост пропускной способности оптического ввода-вывода (I/O) для инфраструктуры ИИ, с помощью которого будут поддерживаться масштабные кластеры процессоров в высокопроизводительных вычислениях (HPC).

Традиционные электрические интерфейсы ввода-вывода хотя и обеспечивают высокую плотность пропускной способности и низкое энергопотребление, ограничены расстоянием. Оптические трансиверные модули, используемые в центрах обработки данных и ранних ИИ-кластерах, могут обеспечить больший радиус действия, но при этом увеличивается стоимость и потребление энергии, что неэффективно для масштабирования рабочих нагрузок ИИ.

Оптический интерфейс ввода-вывода, интегрированный непосредственно в CPU и GPU, предлагает новое решение. При этом OCI использует проверенную на практике технологию кремниевой фотоники Intel и объединяет интегральную схему кремниевой фотоники (PIC), включающую встроенные лазеры и оптические усилители. Чипсет OCI, продемонстрированный на OFC, был совмещён с процессором Intel, но его также можно интегрировать с графическими процессорами, IPU и другими системами на кристалле (SoC) следующего поколения, обеспечивая двустороннюю передачу данных на скорости до 4 Тбит/с и совместимую с интерфейсом периферийных компонентов PCIe Gen5.

Чиплет, продемонстрированный Intel, подтвердил свою эффективность, поддерживая 64 канала передачи данных по 32 Гбит/с в каждом направлении на расстояние до 100 метров (хотя практическое применение может быть ограничено десятками метров из-за задержки времени прохождения), используя восемь пар волокон, каждая из которых несёт восемь плотных мультиплексоров с разделением по длине волны.

Новый чиплет Intel OCI — это ещё один шаг вперёд в области высокоскоростной передачи данных, который доказывает, что по мере развития инфраструктуры искусственного интеллекта компания остаётся в авангарде, внедряя инновации.

Китайские учёные разработали недорогой метод массового производства оптических чипов, которые используются в суперкомпьютерах и центрах обработки данных. Новая технология использует недорогой материал — танталат лития, который применяется при изготовлении компонентов смартфонов. Это изобретение должно помочь Китаю обойти ряд ограничений США на доступ к передовым полупроводниковым технологиям.

Источник изображения: techpowerup.com

Фотонные интегральные схемы (Photonic Integrated Circuits, PIC), используют оптические технологии для обработки и передачи информации и в основном применяются в оптоволоконной связи или фотонных вычислениях — новой технологии с повышенной скоростью передачи данных и пониженным энергопотреблением. PIC могут быть изготовлены с использованием различных материалов, включая ниобат лития, который известен своими превосходными возможностями электрооптического преобразования. Однако промышленное использование этой технологии сдерживается высокой стоимостью и ограниченным размером пластин.

Профессор Шанхайского института микросистем и информационных технологий Оу Синь (Ou Xin) и исследователь из Швейцарского федерального технологического института Тобиас Киппенберг (Tobias Kippenberg) опубликовали статью в журнале Nature об использовании для производства PIC альтернативного полупроводникового материала — танталата лития (LiTaO₃). По их словам, применение танталата лития обеспечивает дешёвое массовое производство благодаря процессу изготовления, близкому к традиционным коммерческим методам изготовления полупроводников.

«Танталат лития уже используется в коммерческих целях для радиочастотных фильтров 5G [используемых в смартфонах], обеспечивает масштабируемое производство при низких затратах и по своим свойствам не уступает, а в некоторых случаях превосходит ниобат лития», — утверждают учёные.

Изготовление PIC на основе танталата лития происходит традиционным путём с использованием литографии в глубоком ультрафиолете с последующим травлением пластин. Этот метод может помочь Китаю уменьшить воздействие ограничений, в том числе экспортного контроля и санкций, введённых США и их ключевыми союзниками для ограничения доступа Китая к передовым чипам и производственному оборудованию.

Стартап Novel Si Integration Technology, созданный Шанхайским институтом, уже располагает возможностями для массового производства 8-дюймовых пластин из нового материала. «Наша работа прокладывает путь к масштабируемому производству недорогих и крупносерийных электрооптических PIC нового поколения», — уверен Оу Синь.

Группа учёных с факультета инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета разработала новый чип, который для выполнения сложных математических операций использует не электричество, а световые волны. Кремниево-фотонный чип можно выпускать на современном оборудовании и использовать его, например, в качестве сопроцессора для GPU в задачах, связанных с машинным обучением.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Учёные создали и испытали чип на операциях векторно-матричного умножения для матриц 2 × 2 и 3 × 3. Также была показана возможность работы матрицы 10 × 10. Эти примеры продемонстрировали, что предложенные методы обладают потенциалом для создания крупномасштабных аналоговых вычислительных платформ на основе световых волн, о чём учёные рассказали в статье в журнале Nature Photonics.

В основе работы лежит доказательство концепции изготовления волноводов и аморфных линз непосредственно на кремниевой пластине с помощью стандартных техпроцессов травления и обработки пластин. Традиционные методы изготовления метаструктур страдают такими ограничениями, как узкая полоса пропускания и высокая чувствительность к ошибкам изготовления. В частности, это ограничивает масштабирование подобных архитектур.

Вместо того чтобы использовать кремниевую пластину одинаковой высоты, объясняют разработчики, «вы делаете кремний тоньше, скажем, на 150 нанометров», но только в определенных областях. Эти изменения высоты без добавления каких-либо других материалов обеспечивают средство контроля над распространением света через чип, поскольку изменения высоты могут быть распределены таким образом, чтобы свет рассеивался определенным образом, позволяя чипу выполнять математические вычисления со скоростью света.

Проще говоря, в кремнии протравливаются волноводы и создаётся система линзирования, которые обеспечат прохождение светового сигнала по лабиринту волноводов с жёстко заданным алгоритмом и в зависимости от сигналов на входе получится определённый результат. Таким сопроцессором можно дооснастить обычный графический процессор, чтобы разгрузить его от энергозатратных операций векторно-матричного умножения и, таким образом, ускорить вычисления для задач искусственного интеллекта и машинного обучения.

Корпорация Intel давно занимается проблемой сращивания полупроводниковых решений для передачи информации с оптоволоконными каналами, эта сфера получила обозначение «кремниевой фотоники». Японское правительство готово субсидировать совместные изыскания оператора связи NTT, компаний Intel и SK hynix в данной сфере, выделяя на это $305 млн бюджетных средств.

Источник изображения: Intel

Агентство Nikkei сообщило о принятом властями Японии решении сегодня. Кремниевая фотоника обещает не только повысить скорость передачи информации, но снизить энергозатраты на обеспечение этого процесса. Министерство экономики, торговли и промышленности Японии выражает надежду, что за счёт прорыва на этом направлении страна сможет получить преимущество на международном рынке и возродить свою полупроводниковую промышленность. В свете бурного развития систем искусственного интеллекта спрос на технологии скоростной передачи информации будет только расти.

Кремниевая фотоника позволяет уйти от лишних преобразований оптических сигналов в электрические, тем самым повышая скорость обмена данными и снижая энергопотребление. Участие SK hynix в этих разработках определяется её специализацией на разработке микросхем памяти, сейчас эта южнокорейская компания до сих пор остаётся главным поставщиком памяти типа HBM для ускорителей вычислений NVIDIA, которые доминируют на рынке.

К 2027 году перечисленные компании надеются вывести на рынок технологию, которая позволяет обрабатывать оптические сигналы на уровне кремниевых компонентов, а также технологию производства памяти, способной работать на терабитных скоростях. Intel, уже имеющая определённый опыт в этой сфере, будет специализироваться на приближении данных решений к условиям массового производства, хотя от своего профильного бизнеса она не так давно избавилась. В части энергопотребления стоит задача снизить его на 30–40 % по сравнению с традиционными полупроводниковыми компонентами. Японская NTT свои эксперименты в области кремниевой фотоники проводит с 2019 года и уже добилась определённых успехов на этапе изысканий, а также располагает экспериментальной площадкой для работы с прототипами соответствующих устройств.

Кремниевая фотоника обещает снизить потребление и увеличить производительность компьютеров. Чтобы отказаться от потока электронов и перейти на фотоны, необходимо тем или иным способом гармонизировать взаимодействие фотонов с материалами чипов и разработать множество новых способов управления ими. Но для начала необходимо увеличить плотность энергии «света», для чего его замедляют с минимальными потерями, что удалось учёным из Китая.

Источник изображения: Xinhua

В одном из последних номеров журнала Nano Letters группа исследователей из Шэньчжэньского института передовых технологий при Академии наук Китая сообщила, что она создала метаматериал, который смог замедлить свет в 10 000 раз с потерями на уровне 20 % по сравнению с предыдущими попытками. Это означает, что свет по чипу (каналу) распространяется с меньшим поглощением и низким рассеиванием. Подобное в разы увеличивает энергоэффективность и снижает тепловыделение, тогда как рост плотности энергии в связи с эффектом замедления света даёт в руки осязаемые рычаги по контролю над световым сигналом — с этим уже можно работать в прикладных задачах, говорят исследователи.

Добиться такого результата учёные смогли с помощью особым образом структурированной поверхности. На ней в виде периодической решётчатой структуры были последовательно размещены 100-нм кремниевые диски. Они играли роль резонаторов, которые меняли амплитуды и фазы входного сигнала. При этом важным свойством метаматериала стала способность «выталкивать» фотоны изнутри материала к его поверхности, за счёт чего поглощение почти отсутствовало. Кроме того, рассеянные в процессе одиночные фотоны снова направлялись в нужном русле с помощью соседних структур, что также снижало потери и позволяло полнее использовать входящий свет (сигнал).

«Используя технологию метаповерхности, фотонные чипы могут быть тонкими, как наклейки или строительные блоки, которые позволят функционально укладывать их друг на друга, — говорят разработчики. — Используя эффект замедленного света, производительность может быть значительно улучшена».