Учёные из Южной Кореи научились управлять скоростью света внутри компьютерного чипа

Свет — самая быстрая вещь во вселенной, и именно эта скорость долго мешала инженерам строить компьютеры на основе света вместо электричества. Чтобы синхронизировать сигналы внутри такой системы, их иногда нужно на мгновение придержать. Но задержать то, что движется почти мгновенно, оказалось непростой инженерной задачей. Команда из Сеульского национального университета и Сеульского городского университета предложила решение — чип, которым можно управлять почти как программой на компьютере.

Исследователи под руководством профессоров Намгю Пака и Сонгю Ю разработали программируемую фотонную интегральную схему, а точнее чип, через который проходит свет. Особенность этой схемы в том, что скорость и форму светового сигнала внутри неё можно менять уже после изготовления, просто перенастраивая параметры работы устройства. Раньше подобные схемы делались под одну фиксированную задачу, если требовалась другая задержка сигнала или другой диапазон частот, приходилось проектировать и производить новый чип с нуля.

В основе новой разработки лежит явление, которое физики называют индуцированной резонаторами прозрачностью. Это эффект, при котором несколько крошечных оптических резонаторов, взаимодействуя друг с другом, избирательно пропускают свет определённой частоты и одновременно замедляют его движение. Команда добавила к этой схеме два управляемых элемента, так называемые петлевые ответвители, и объединила два разных оптических состояния сигнала в один настраиваемый параметр. Именно это и открыло возможность перестраивать работу чипа на лету, без физического вмешательства в его конструкцию.

Зачем это нужно

Главная причина, по которой инженеры вообще взялись за эту задачу, это стремительный рост нагрузки на дата-центры и серверы, обрабатывающие запросы искусственного интеллекта. Обычные электронные микросхемы всё труднее справляются с таким объёмом данных, они греются, потребляют слишком много энергии и упираются в физический предел скорости передачи сигналов. Оптические вычисления, где данные переносит свет, а не электрический ток, обещают решить обе проблемы разом: и скорость выше, и энергии тратится меньше.

Но чтобы оптический компьютер работал слаженно, сигналам иногда нужно немного «подождать» друг друга, точно так же, как в оркестре музыканты подстраиваются под общий темп. Раньше это создание задержки требовало отдельного, заранее просчитанного под конкретную задачу устройства. Новый чип решает эту проблему программно, здесь один и тот же кристалл, в зависимости от настроек, может выполнять сразу несколько функций: задерживать сигнал, менять его частоту, синхронизировать разные потоки данных.

Здесь стоит сделать важную оговорку. Работоспособность схемы пока подтверждена численным моделированием и трёхмерными электромагнитными симуляциями, включая проверку на устойчивость к реальным помехам, потерям в материале, тепловому влиянию соседних элементов схемы и другим факторам, которые неизбежно возникают при производстве. Иными словами, учёные детально просчитали и обосновали, что такой чип будет работать, но физически собранного и протестированного в лаборатории устройства на сегодняшний день ещё нет. Сами авторы прямо говорят, что следующий этап их работы, перевести разработку из расчётов в реальное железо и проверить её экспериментально.

Что это может изменить в будущем

Если задумку удастся воплотить в реальном устройстве, один такой оптический чип сможет заменить сразу несколько отдельных компонентов, которые сегодня используются в оптических линиях связи и вычислительных системах. Это должно снизить стоимость и энергопотребление дата-центров и серверов для искусственного интеллекта, а заодно позволит делать более компактное и дешёвое оборудование для оптической связи и различных сенсоров.

В более отдалённой перспективе авторы работы видят применение технологии в сферах, где требуется предельно быстрая обработка информации, например, в беспилотном транспорте, связи следующих поколений и квантовых технологиях. Пока это направление находится на стадии теоретического обоснования и компьютерного моделирования, но именно такие работы обычно и становятся первым шагом к реальным устройствам, которые через несколько лет меняют облик привычной техники.

Источник: eurekalert.org