Компьютерная индустрия уже несколько десятилетий развивается по одному и тому же принципу: информация передается электронами, движущимися по проводникам внутри микросхем.

За это время производительность вычислительных систем выросла на несколько порядков. Однако по мере усложнения процессоров, ускорителей и дата-центров все заметнее проявляется проблема, которую невозможно решить простым увеличением числа транзисторов.

Передача данных внутри крупных вычислительных систем начинает потреблять все больше энергии. При этом почти вся электроэнергия, затраченная на работу электронных компонентов и соединений, в конечном счете превращается в тепло. Его приходится отводить, а значит, часть энергии дополнительно уходит на охлаждение оборудования.

Именно поэтому инженеры все активнее изучают фотонные технологии — системы, в которых информация передается не электрическими сигналами, а светом.

Недавно исследователи из Австралии сообщили о создании интегрированного фотонного устройства, способного генерировать, направлять и считывать особый тип сигналов на одном кристалле. Работа опубликована в журнале Nature Photonics и посвящена перспективному направлению, известному как долинотроника.

Что такое долинотроника

Современная электроника использует электрический заряд электрона для хранения и передачи информации.

Однако в некоторых полупроводниковых материалах существуют дополнительные квантовые состояния, связанные с особенностями энергетической структуры вещества. Эти состояния называют долинами.

Исследователи рассматривают возможность использования таких состояний как дополнительного способа кодирования информации. Подобный подход получил название долинотроники (valleytronics).

Пока это остается в основном областью фундаментальных исследований, однако многие специалисты считают, что подобные технологии в будущем могут найти применение в фотонных системах связи, специализированных вычислительных устройствах и квантовых технологиях.

Что именно удалось сделать исследователям

Само по себе управление долинными состояниями не является новой задачей.

Ученые уже умеют генерировать подобные сигналы, передавать их и регистрировать. Однако долгое время эти операции выполнялись на отдельных экспериментальных установках или с использованием нескольких независимых компонентов.

Главным результатом новой работы стало объединение всех ключевых функций в одном устройстве.

Как отметил руководитель исследования доктор Чи Ли, ранее ученые могли создавать такие сигналы или регистрировать их, однако объединить все необходимые операции в единой интегрированной системе не удавалось.

По его словам, новая разработка представляет собой полноценную платформу на кристалле, способную генерировать, направлять и считывать долинную информацию с высокой точностью.

Именно этот переход от отдельных экспериментов к интегрированной системе авторы считают главным достижением работы.

Во многом это напоминает ранние этапы развития микроэлектроники, когда различные электронные компоненты постепенно начали объединяться внутри одной интегральной схемы.

Сверхтонкие материалы и метаповерхности

В основе устройства лежат двумерные материалы толщиной всего в несколько атомных слоев.

Подобные структуры активно изучаются в последние годы благодаря необычным электронным и оптическим свойствам. Многие специалисты рассматривают их как возможную основу для будущих поколений фотонных и квантовых устройств.

Для управления светом исследователи использовали специальные наноструктуры — так называемые метаповерхности.

Метаповерхность представляет собой искусственно созданную структуру, состоящую из множества элементов размером меньше длины волны света. Такие конструкции позволяют управлять распространением излучения способами, которые невозможно реализовать с помощью обычной оптики.

Авторы работы использовали послойную интеграцию двумерных материалов и метаповерхностей, что позволило избежать сложностей, возникающих при попытке выращивать материалы непосредственно на фотонных структурах.

Без криогенного охлаждения

Еще одной важной особенностью разработки стала работа устройства при комнатной температуре.

Для многих экспериментальных квантовых и фотонных систем требуется охлаждение до очень низких температур, иногда всего на несколько градусов выше абсолютного нуля. Подобные установки сложны, дороги и плохо подходят для практического применения.

В новом исследовании работа интегрированной системы была продемонстрирована без использования криогенного оборудования.

Само по себе это не означает скорого появления коммерческих устройств, однако заметно упрощает путь от лабораторного эксперимента к потенциальным промышленным применениям.

Как это связано с фотонными вычислениями

Несмотря на громкие заявления о «компьютерах на основе света», речь пока не идет о прямой замене современных процессоров.

Сегодня фотонные технологии рассматриваются прежде всего как способ более эффективной передачи и обработки информации.

По мере роста вычислительных мощностей все большую проблему начинают создавать не сами вычисления, а перемещение данных между процессорами, памятью, ускорителями и сетевым оборудованием.

Передача данных требует энергии. В конечном счете эта энергия превращается в тепло, которое приходится отводить с помощью систем охлаждения.

Поэтому исследователи во всем мире ищут способы использовать преимущества света для передачи информации внутри вычислительных систем.

Фотонные технологии интересны тем, что позволяют передавать большие объемы данных с меньшими потерями и меньшим тепловыделением по сравнению с традиционными электронными соединениями на сопоставимых задачах передачи информации.

Именно поэтому интерес к фотонным интегральным схемам сегодня проявляют разработчики дата-центров, телекоммуникационного оборудования и систем высокопроизводительных вычислений.

От редакции

Пока разработка австралийских исследователей остается фундаментальной научной работой, а не готовой технологией для рынка.

Тем не менее сама тенденция выглядит показательной. Если в течение последних десятилетий инженеры в основном совершенствовали транзисторы, то сегодня все больше внимания уделяется способам передачи данных внутри вычислительных систем.

Рост искусственного интеллекта, облачных сервисов и крупных дата-центров делает эту задачу все более актуальной.

И хотя до массового распространения фотонных вычислительных систем еще далеко, подобные исследования показывают, в каком направлении может развиваться электроника в ближайшие десятилетия.