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».