В будущем сердцем каждого смартфона станет маленький светодиодный фонарик. Звучит нелепо, но именно так образно можно представить результат изысканий в области перевода опорных генераторов радиочастотных колебаний в сферу кремниевой фотоники. Речь идёт о новой программе Управления перспективных исследовательских проектов Министерства обороны США (DARPA), в рамках которой будут разработаны фотонные РЧ-генераторы с низким уровнем шума.

Источник изображения: DARPA

Агентство объявило о запуске программы GRYPHON (Generating RF with Photonic Oscillators for Low Noise) или, по-русски, радиочастотная генерация на фотонных генераторах для снижения шумов. Прежде всего, речь идёт о снижении фазовых шумов, появление которых обусловлено несовершенством радиочастотных компонентов и зависимости их характеристик от состояния окружающей среды.

Как ни стараются разработчики, выходной радиочастотный сигнал опорных генераторов далёк от идеальной синусоиды. Те или иные искажения — дрожания фазы и другие, будут оставаться в выходном сигнале и влиять на точность настройки, ширину рабочего диапазона и вносить искажения, например, в точность радарных систем. Перевод опорной генерации на интегрированные фотонные системы позволит снизить зависимость от внешних условий и, в первую очередь, от влияния постороннего радиоизлучения.

Первым техническим направлением программы GRYPHON станет разработка малошумящих, компактных и устойчивых к изменению частоты прототипов, способных обеспечить выходной сигнал в диапазоне 1–40 ГГц. Главный ориентир — это быстрое внедрение как военными, так и коммерческими организациями. Успех программы также будет зависеть от доказательства устойчивости к воздействию окружающей среды и демонстрации дорожной карты для крупносерийного и недорогого отечественного производства. В программе будут Honeywell, Nexus Photonics, BAE Systems, Caltech и hQphotonics.

Вторым направлением программы GRYPHON станет поиск передовых методов, обеспечивающих ещё более низкий фазовый шум или сверхширокую перестраиваемость для создания будущих архитектур РЧ-генераторов. Этим, в частности, будут заниматься команды из Колумбийского университета и Университета Вирджинии, которые расширят границы в области материалов и системной интеграции.

«Нелинейная интегральная фотоника открывает путь к достижению невероятной производительности генераторов при уменьшении размеров системы на порядки, — заявил д-р Гордон Килер (Gordon Keeler), руководитель программы в отделе микросистемных технологий DARPA. — Помимо преимуществ в стоимости и размерах, интегрированные оптические подходы могут обеспечить настройку в нескольких частотных диапазонах и устойчивость к воздействию окружающей среды. Если наши команды добьются успеха, это может оказать очень широкое воздействие».

Компания Lightmatter, называющая себя «ведущим разработчиком кремниевых фотонных процессоров», представила фотонный чип искусственного интеллекта — универсальный акселератор работы алгоритмов ИИ, который использует для передачи и обработки данных не электроны, а фотоны.

По словам разработчиков, использование света для вычислений и обмена данными внутри микросхемы снижает её энергопотребление и нагрев на несколько порядков, а также приводит к значительному увеличению скорости работы процессора.

Как указывает компания, с 2010 года объём вычислительной мощности, необходимой для обучения передовых алгоритмов искусственного интеллекта, вырос в пять раз по сравнению с ростом возможностей электронных интегральных микросхем, масштабируемых по закону Мура. Чтобы устранить это несоответствие, необходим качественный скачок.

«Согласно оценкам Министерства энергетики США, к 2030 году компьютерные и коммуникационные технологии будут потреблять более 8 % мировой энергии. Транзисторы, являющиеся основой традиционных процессоров, не улучшаются; они просто слишком горячие. Создание всё более крупных центров обработки данных — это тупиковая ветвь на пути вычислительного прогресса, — говорит Николас Харрис (Nicholas Harris), основатель и генеральный директор компании Lightmatter. — Нам нужна новая компьютерная парадигма. Оптические процессоры Lightmatter значительно быстрее и более энергоэффективны, чем традиционные процессоры. Мы одновременно способствуем развитию вычислений и уменьшаем их влияние на нашу планету».

Lightmatter собирается представить архитектуру своих фотонных процессоров 18 августа, на мероприятии HotChips32. На данный момент известно, что в составе процессора, изготовленного с применением технологии объемной компоновки, используются более одного миллиарда транзисторов FinFET, десятки тысяч фотонных арифметических устройств, а также сотни преобразователей данных.

Также указывается, что процессор Lightmatter работает со стандартными средами машинного обучения, включая PyTorch и TensorFlow, что позволяет применять самые современные алгоритмы искусственного интеллекта.

Первое в мире интегрированное наноразмерное устройство, программируемое с помощью фотонов или электронов, было разработано учёными исследовательской группы профессора Хариша Бхаскарана (Harish Bhaskaran) из Оксфордского университета в сотрудничестве с исследователями из Мюнстерского и Эксетерского университетов.

Команда создала первое в своём роде электрооптическое устройство, которое позволяет соединить области оптических и электронных вычислений. Оно, как сообщается, является элегантным решением для создания более быстрой и более энергоэффективной компьютерной памяти и процессоров.

Вычисления со скоростью света — заманчивая перспектива, и с этими наработками подобное может стать реальностью. Хотя ранее было продемонстрировано использование света для выполнения различных вычислительных процессов, до сих пор не было компактного устройства для взаимодействия с электронной архитектурой традиционных компьютеров. Несовместимость электрических и основанных на свете вычислений проистекает из принципиально различных объёмов взаимодействия электронов и фотонов — длина волны света намного больше, чем у электронов.

Чтобы преодолеть эту фундаментальную проблему, команда учёных придумала решение для ограничения света в наноскопических размерах — это подробно описано в статье «Устройства с фазовым переходом, плазменным наноразмерным усилением и двойной электрооптической функциональностью», опубликованной 29 ноября в Science Advances. Исследователи объединили концепции интегрированных технологий фотоники, плазмоники и электронной памяти, чтобы создать компактное устройство, которое может работать одновременно как оптическая и как электрическая память, а также выступать в качестве процессора. Информация может храниться и обрабатываться с использованием световых или электрических сигналов, или даже любой их комбинации.

«Это очень многообещающий путь развития для тех областей вычислений, где требуется высокая эффективность обработки», — считает один из авторов Николаос Фармакидис (Nikolaos Farmakidis) из Оксфордского университета. Другой соавтор, Натан Янгблад (Nathan Youngblood), продолжил: «Речь идёт, естественно, об искусственном интеллекте, где требования к высокопроизводительным вычислениям с низким энергопотреблением намного превышают наши текущие возможности. Считается, что сопряжение фотонных вычислений на основе света с электрическим аналогом является ключом к следующему этапу развития технологий CMOS».

Участвовавший в работе профессор Дэвид Райт (David Wright) из Эксетерского университета добавил: «Электронные и фотонные вычисления имеют свои преимущества и недостатки: возможно, используя подобные разработанным нами устройства, в конечном итоге мы можем получить лучшее из обоих миров, беспрепятственно работая в обеих областях».

Фотонные интегральные схемы или оптические чипы потенциально обладают множеством преимуществ по сравнению с электронными аналогами, такими как снижение энергопотребления и уменьшение задержки в вычислениях. Вот почему множество исследователей считают, что они могут оказаться крайне эффективны в задачах машинного обучения и создания искусственного интеллекта (ИИ). Компания Intel также видит большие перспективы для применения кремниевой фотоники в данном направлении. Группа её исследователей в научной статье подробно описала новые методы, которые могут приблизить оптические нейронные сети на шаг ближе к реальности.

Группа исследователей при поддержке Intel описала методы применения архитектурных решений, позволяющих использовать оптические чипы без потерь в производительности, несмотря на неизбежные дефекты производства

В недавней публикации в блоге Intel, посвящённому машинному обучению, рассказывается, как начинались исследования в области оптических нейронных сетей. Научные работы Дэвида Миллера (David A. B. Miller) и Майкла Река (Michael Reck) продемонстрировали, что тип фотонной цепи, известный как интерферометр Маха-Цендера (MZI), может быть сконфигурирован для выполнения перемножения матриц размером 2 × 2, при этом, если разместить MZI в треугольной сетке для перемножения больших матриц, можно получить схему, которая реализует алгоритм умножения матрицы на вектор — основное вычисление, используемое в машинном обучении.

Новое исследование Intel сосредоточилось на изучении того, что происходит при появлении различных дефектов, которым подвержены оптические чипы при производстве (поскольку вычислительная фотоника является аналоговой по своей природе), вызывающих различия в точности вычислений между разными чипами одного типа. Хотя подобные исследования уже проводились, в прошлом они были сосредоточены больше на оптимизации после изготовления для устранения возможных неточностей. Но данный подход имеет плохую масштабируемость, поскольку сети становятся всё больше в размерах, что приводит к увеличению вычислительной мощности, необходимой для настройки оптических сетей. Вместо оптимизации после изготовления Intel рассмотрела возможность единоразового обучения чипов перед изготовлением благодаря использованию устойчивой к помехам архитектуре. Эталонная оптическая нейронная сеть была обучена один раз, после чего параметры обучения были распределены по нескольким сфабрикованным экземплярам сети с различиями в их компонентах.

Команда Intel рассмотрела две архитектуры для построения систем искусственного интеллекта на базе MZI: GridNet и FFTNet. GridNet предсказуемо размещает MZI в сетке, а FFTNet размещает их в виде «бабочек». После обучения обеих в моделировании на эталонной задаче глубокого обучения распознаванию рукописных цифр (MNIST), исследователи обнаружили, что GridNet достигла более высокой точности, чем FFTNet (98 % против 95 %), но при этом архитектура FFTNet оказалась «значительно более надёжной». Фактически производительность GridNet упала ниже 50 % с добавлением искусственного шума (помех, имитирующих возможные дефекты про производстве оптических чипов), в то время как для FFTNet она оставалась почти постоянной.

Ученые утверждают, что их исследования закладывают основу для методов обучения искусственного интеллекта, которые помогут избавиться от необходимости тонкой настройки оптических чипов после их производства, экономя драгоценное время и ресурсы.

«Как и в любом производственном процессе, возникают определённые дефекты, которые означают, что между микросхемами будут небольшие различия, и они будут влиять на точность вычислений», — пишет старший директор группы продуктов Intel AI Казимир Вежински (Casimir Wierzynski). «Если оптические нейронные сути станут жизнеспособной частью аппаратной экосистемы искусственного интеллекта, им потребуется перейти на более крупные микросхемы и технологии промышленного производства. Наши исследования показывают, что выбор правильной архитектуры заранее может значительно увеличить вероятность того, что полученные микросхемы достигнут желаемой производительности даже при наличии производственных вариаций».

В то же время, пока Intel в основном проводит исследования, кандидат физико-математических наук из Массачусетского технологического института Ишен Шен (Yichen Shen) основал стартап Lightelligence, базирующийся в Бостоне, который привлёк венчурное финансирование на сумму 10,7 млн долларов США и недавно продемонстрировал прототип оптического чипа для машинного обучения, который в 100 раз быстрее, чем современные электронные чипы, а также на порядок снижает энергопотребление, что ещё раз наглядно демонстрирует перспективы фотонных технологий.

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.

Холдинг «Российские космические системы» (РКС), входящий в госкорпорацию Роскосмос, объявил о начале создания целевой нагрузки и служебных систем космических аппаратов на основе революционной технологии микрофотоники.

РКС

Фотонные технологии отличаются низкими энергопотерями при передаче сигналов. Они способны кардинально улучшить трансляцию, хранение и обработку информации. Ожидается, что в перспективе фотоника придёт на смену привычной сегодня микроэлектронике.

В области создания полезной нагрузки для космических аппаратов применение фотонных технологий позволит существенно расширить возможности нано- и микроприборов. К примеру, скорость приёма, обработки и передачи радио- и СВЧ-сигналов возрастёт от 20 до 200 раз по сравнению с нынешним уровнем. Кроме того повысится пропускная способность линий связи.

Более того, использование микрофотонных интегральных схем минимизирует количество внешних волоконно-оптических соединительных проводов, уменьшит общий размер и массу космической системы. При этом приборы нового поколения будут потреблять меньше энергии и в большей степени будут защищены от воздействия электромагнитных помех и космической радиации.

РКС

Применение новых технологий приведёт к появлению лазерных линий связи «спутник–спутник» и «спутник–Земля», оптических акселерометров и малогабаритных антенн из метаматериалов. Кроме того, фотоника позволит в полтора или даже два раза увеличить средний срок службы спутников на орбите.

Первые результаты в рамках нового проекта планируется получить уже в следующем году. Речь идёт о каналах связи «космос–космос» с дальностью передачи информации более 3000 км и скоростью более 10 Гбит/с. В дальнейшем эти значения планируется довести до 40 тыс. км и 100 Гбит/с.

Исследователи из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ предложили модель, позволяющую рассчитать, насколько быстро можно передавать информацию внутри нанофотонных микропроцессоров.

Исследователи говорят, что даже частичная замена металлических соединений на чипе на плазмонные (нанофотонные) позволит существенно повысить производительность микропроцессоров. Но проблема заключается в затухании сигнала. В то же время при усилении плазмонных сигналов в полупроводниковых устройствах возникает фотонный шум. Он ведёт к ошибкам при передаче данных, что сильно снижает фактическую скорость передачи информации из-за необходимости использовать алгоритмы коррекции.

Российские учёные разработали теорию, позволяющую точно предсказывать шумы, возникающие при усилении фотонных и плазмонных сигналов. Специалисты подробно исследовали, как меняются характеристики шума и его мощность в зависимости от параметров плазмонного волновода с компенсацией потерь, а также показали, как можно понизить уровень шума для достижения максимальной пропускной способности такого нанофотонного интерфейса.

Оказалось, что в активном плазмонном волноводе размером лишь 200 × 200 нанометров можно эффективно передавать сигнал на расстояние до 5 миллиметров — это типичное значение для современных микропроцессоров. Причём скорость передачи информации будет превышать 10 Гбит/с на один спектральный канал (канал передачи информации, реализованный на фиксированной длине волны). Для сравнения: максимальная пропускная способность по электрическому соединению тех же размеров (по медной дорожке на чипе) примерно в 500 раз меньше — около 20 Мбит/с.

Более подробно с работой учёных можно ознакомиться здесь.

Команда российских исследователей предложила технологию, которая поможет в создании сверхбыстрых фотонных компьютеров.

По сути, фотоника является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны. Ожидается, что подобные технологии откроют путь к созданию систем для обработки огромных объёмов данных на высоких скоростях.

Концепция фотонного компьютера предусматривает использование особых оптических волноводов, в которых электромагнитная волна может распространяться только вдоль определённого направления. Однако существует сложность. Дело в том, что в волноводах на микроэлектронном уровне наблюдается потеря энергии, а значит и потеря сигнала, что сильно ограничивает на данный момент их применение.

Решением проблемы занимаются учёные из Института теоретической и прикладной электродинамики РАН, Всероссийского НИИ автоматики им. Н.Л. Духова и МФТИ. Исследователи рассчитали модель оптической системы, в которой большие потери в волноводах компенсируются при помощи малого усиления.

Схематическое изображение системы двух волноводов с периодически изменяющимся расстоянием между ними / МФТИ

Суть предложенного решения сводится к периодическому изменению расстояние между двумя волноводами. Это позволяет «настроить» перетекание энергии между ними так, что электромагнитные поля будут усиливаться при распространении по волноводам даже в том случае, когда потери превосходят усиление.

Открытый феномен позволяет практически без потерь передавать сигнал, что являлось до сих пор нерешённой проблемой в плазмонных и нанооптических устройствах.

Помимо потерь в волноводах при увеличении амплитуды сигнала проявляются нелинейные эффекты, которые замедляют и ограничивают рост амплитуд. Это означает, что применяя предложенную схему, можно создать устойчивый постоянный сигнал, который будет надёжно передавать информацию в фотонных схемах и в будущем может использоваться для создания фотонных компьютеров .

Более подробно об исследовании российских учёных можно узнать здесь.

Фотонной электронике прочат большое будущее, а последние достижения учёных позволяют верить в то, что все эти разработки не останутся лишь на бумаге и в стенах лабораторий. NASA также заинтересовалось фотонными технологиями. Здесь разрабатывается модем с интегрированными фотонными компонентами, который планируется использовать для высокоскоростных лазерных коммуникаций между Землёй и космическими кораблями на низких околоземных и геосинхронных орбитах.

НАСА

В рамках проекта Laser Communications Relay Demonstration (LCRD) специалисты NASA тестируют фотонные технологии связи, но для внедрения таких коммуникаций потребуется несколько лет. По оценкам NASA, фотонный модем будет запущен на МКС не ранее 2020 года. Устройство по габаритам будет сравнимо с мобильным телефоном (сейчас прототип занимает место двух тостеров). При этом пропускная способность такого модема в 10–100 раз превысит современные технологии, что позволит передавать больше контента с космоса, в том числе высококачественное видео.

НАСА

Отметим, это не первая попытка NASA совершить прорыв в лазерных коммуникациях. В 2013 году она продемонстрировала передачу данных со скоростями 622 Мбит/с (нисходящий поток) и 20 Мбит/с (восходящий поток). Это был больше исследовательский проект. Теперь же NASA нацелено в жёсткие сроки внедрить все наработки в коммерческий продукт.

Московский государственный университет имени М. В. Ломоносова сообщил о разработке технологии, которая в перспективе может привести к появлению компьютерных устройств нового поколения: российские исследователи в составе международной группы создали сверхбыстрый фотонный переключатель, работающий на кремниевых наноструктурах.

Разработка относится к фотонике. По сути, фотоника является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны. Главное их преимущество в том, что они практически не взаимодействуют друг с другом и со средой, в которой распространяются, и потому более предпочтительны для передачи информации, чем электроны.

Однако существует сложность. В то время как основа современных электронных устройств — транзисторы — имеют нанометровые размеры, у прототипов оптических транзисторов габариты исчисляются микрометрами. Структуры же, способные в этом смысле конкурировать с электроникой, такие, как плазмонные наночастицы, отличались низкой эффективностью и большими потерями. Так что ситуация с компактностью для фотонных схем представлялась тупиковой.

Но три года назад был открыт важный эффект: исследователи обнаружили в наночастицах кремния сильные резонансы в видимой области спектра — так называемые магнитные дипольные резонансы. Данный резонанс характеризуется сильной локализацией световых волн на субволновых масштабах внутри наночастиц. Как выяснилось, открытие может лечь в основу компактного и очень быстрого фотонного переключателя.

Наночастицы удалось изготовить в Австралийском национальном университете методом электронно-лучевой литографии с последующим плазменным травлением. Полученные образцы были направлены в Москву, и все последующие эксперименты с ними проводились на физическом факультете МГУ в лаборатории нанооптики и метаматериалов.

В результате, учёные создали прибор, представляющий собой диск диаметром в 250 нанометров, способный переключать оптические импульсы за время, исчисляемое фемтосекундами (10⁻¹⁵ с). Такое время срабатывания позволит в перспективе создавать устройства передачи и обработки информации, функционирующие на скоростях в десятки и сотни терабит в секунду.

Работа созданного учёными МГУ фотонного переключателя сводится к отправке на него двух лазерных импульсов, которые, благодаря наличию у кремниевых наночастиц магнитных резонансов, хорошо взаимодействуют друг с другом. Если эти импульсы приходят одновременно, то один из них, управляющий, вступает во взаимодействие со вторым и гасит его за счёт эффекта двухфотонного поглощения. Если же импульсы приходят с разрывом во времени всего в сто фемтосекунд, взаимодействия не происходит, и второй импульс проходит через наноструктуру, не изменяясь.

Пермская научно-производственная приборостроительная компания (ПНППК) совместно с Пермским государственным национальным исследовательским университетом (ПГНИУ) выиграла грант в размере 160 млн рублей для начала промышленного производства фотонных микросхем.

Peter Ginter/Science Faction/Corbis

Фотонные чипы основаны не на электронном, а на оптическом принципе действия. «Фотоны как элементарные частицы, входящие в состав электронов, не имеют ни массы, ни электрического заряда, но поскольку они являются частью электронов, с помощью их энергии частицы способны перемещаться со скоростью света, — поясняет профессор кафедры физики твёрдого тела Пермского университета Анатолий Волынцев. — Таким образом, фотоны могут передавать информацию мгновенно».

По сравнению с существующими технологиями фотонные микросхемы позволят создавать более компактные и малоэнергоёмкие приборы. Когда информация передаётся по обычному оптоволоконному кабелю, принимаемые световые импульсы необходимо преобразовать в электрические сигналы, которые можно будет обработать на компьютере. Микросхемы же на основе фотонов позволяют избежать процедуры конвертирования и за счёт этого повысить скорость работы конечных устройств, а также уменьшить количество ошибок.

Peter Ginter/Science Faction/Corbis

Ожидается, что развёртывание производства фотонных микросхем позволит ПНППК стать одним из лидеров мирового рынка в этой отрасли.

Исследователи Университета Пурдью (Purdue University) предложили новую технологию, которая способна управлять тепловым потоком так же, как в традиционных электронных устройствах управляют электрическим током. Разработка может найти приложение в самых широких областях, начиная от электроники и заканчивая текстильной промышленностью.

purdue.edu

Технология использует миниатюрные треугольные структуры для контроля так называемых фононов. В своих экспериментах исследователи установили, что треугольные или T-образные структуры с достаточно малой шириной способны создавать эффект так называемого «теплового выпрямления», то есть в одну сторону может пропускаться гораздо более мощный тепловой поток, а в другую сторону он практически не распространяется.

В новом исследовании, результаты которого будут опубликованы в авторитетном издании Nano Letters, был использован метод молекулярный динамики, который продемонстрировал тепловое выпрямление в так называемых «ассиметричных графеновых нанолентах». Моделирование показало, что графеном ограничиваться не стоит. Тепловое выпрямление может также наблюдаться в различных пирамидальных, трапециевидных и T-образных структурах.

purdue.edu

Такое выпрямление делает возможным создание тепловых транзисторов, диодов и схем памяти. Тепловые устройства вполне могут выполнять те же самые функции, что их традиционные кремниевые аналоги, только вместо электронов по проводникам будут протекать фононы.

В большинстве проводниковых систем тепло распространяется одинаково в обоих направлениях, поэтому до сих пор не были созданы тепловые устройства наподобие электрических диодов. Если же тепловое выпрямление удастся полностью освоить, то перед полупроводниковой отраслью открываются новые перспективы, уверен исследователь Руан (Ruan). Пока что говорить о конкретных приложениях ещё очень рано. Речь идёт не только о новых перспективах электроники. Например, интересным направлением выглядит разработка строительных блоков, которые смогут пропускать тепло с одной стороны и не выпускать его с другой, или теплой одежды.