Свет - путь к более быстрым, меньшим CPU

14 июня 2020 г., 15:05

Свет становится ведущим средством обработки информации в компьютерах и телекоммуникациях, поскольку наша потребность в повышении энергоэффективности и пропускной способности увеличивается.

Уже являясь золотым стандартом межконтинентальной связи через волоконную оптику, фотоны заменяют электроны в качестве основных носителей информации в оптических сетях и в сердце самих компьютеров.

Тем не менее, остаются существенные инженерные барьеры для завершения этой трансформации. Отраслевые стандартные кремниевые схемы, поддерживающие свет, более чем на порядок больше, чем современные электронные транзисторы. Одним из решений является «сжатие» света с использованием металлических волноводов - однако для этого потребуется не только новая производственная инфраструктура, но и то, как свет взаимодействует с металлами на микросхемах, поскольку фотонная информация легко теряется.

В настоящее время ученые в Австралии и Германии разработали модульный метод проектирования наноразмерных устройств, чтобы помочь преодолеть эти проблемы, сочетая лучшее из традиционной конструкции чипа с фотонной архитектурой в гибридной структуре. Их исследование опубликовано в Nature Communications.

«Мы построили мост между стандартными кремниевыми фотонными системами и металлическими волноводами, которые можно сделать в 100 раз меньшим, сохранив при этом эффективность», - сказал ведущий автор д-р Алессандро Туниц (Alessandro Tuniz) из Наноинститута Сиднейского университета и Школы физики.

Этот гибридный подход позволяет манипулировать светом на наноуровне, измеряемым в миллиардных долях метра. Ученые показали, что они могут достичь манипулирования данными в 100 раз меньшими, чем длина волны света, несущего информацию.

«Такая эффективность и миниатюризация будут важны при преобразовании компьютерной обработки, основанной на свете. Она также будет очень полезна при разработке квантово-оптических информационных систем, многообещающей платформы для будущих квантовых компьютеров, - сказал доцент Стефано Паломба (Stefano Palomba), соавтор из Сиднейского университета и лидер нанофотоники в сиднейском Наноинституте. - В конечном итоге мы ожидаем, что фотонная информация будет мигрировать в ЦП, сердце любого современного компьютера. Такое видение уже разработано IBM».

Встроенные устройства нанометрового масштаба, в которых используются металлы (известные как «плазмонные» устройства), обеспечивают функциональность, недоступную ни одному обычному фотонному устройству. В частности, они эффективно сжимают свет до нескольких миллиардных долей метра и таким образом достигают чрезвычайно улучшенных, без помех, взаимодействий света и вещества.

«Наряду с революцией в общей обработке, это очень полезно для специализированных научных процессов, таких как наноспектроскопия, атомное зондирование и детекторы наноразмеров», - сказал д-р Туниц.

Однако достижение их универсальной функциональности было затруднено из-за использования специальных конструкций.

«Мы показали, что две отдельные конструкции могут быть объединены вместе для улучшения стандартного чипа, который раньше не делал ничего особенного», - сказал д-р Туниц.

Этот модульный подход обеспечивает быстрое вращение поляризации света в микросхеме и благодаря этому вращению позволяет достичь фокуса примерно в 100 раз меньшего, чем длина волны.

Проф. Мартейн де Стерке (Martijn de Sterke) - директор Института фотоники и оптических наук Сиднейского университета, сказал: «Будущее обработки информации, вероятно, будет включать в себя фотоны с использованием металлов, которые позволяют нам сжимать свет до наноразмеров и интегрировать эти конструкции в обычную кремниевую фотонику».

Свет - путь к более быстрым, меньшим CPU