Группа исследователей из Школы инженерных и прикладных наук из известного широкой публике Колумбийского университета в США разработала инновационную технологию создания фотонных компонентов интегральных схем с минимальными на текущий момент размерами. Данные компоненты обеспечивают эффективное функционирование микросхем в широком диапазоне длин волн светового спектра. Внедрение этой технологии позволит в ближайшем будущем производить высокопроизводительные оптические чипы и процессоры, которые лягут в основу новых систем оптической связи и обработки данных. Принцип работы фотонных интегральных схем базируется на методах расщепления и смешивания световых лучей внутри волноводов, что позволяет осуществлять прецизионное управление распространением света по структуре чипа.
который использует этот свет для передачи и обработки информации. “Мы создали интегрированные нанофотонные устройства самых малых на сегодняшний день размеров” – рассказывает Нэнфэнг Ю (Nanfang Yu), один из исследователей, – “Основой всех этих устройств являются наноантенны, благодаря которым мы можем кардинально уменьшить размеры фотонных устройств. При этом, уровень сокращения размеров фотонных устройств будет сопоставим с уровнем сокращения размеров электронных устройств в 1950-х годах, когда на смену громоздким электронным лампам пришли миниатюрные полупроводниковые транзисторы”.
Технология управления распространением света при помощи наноантенн, встраиваемых прямо вовнутрь волноводов, оказалась весьма эффективной. Однако, для реализации большей эффективности управления требуется использование не одной, а достаточно больших массивов наноантенн, которые изменяют свойства света на физическом уровне, отражают его назад или направляют по определенному пути в зависимости от управляющих факторов, к примеру, электрического потенциала, приложенного к электродам на поверхности волновода.
Уникальная конструкция новых наноантенн позволяет им эффективно работать со светом, имея размеры, всего в два раза превышающие длину волны этого света. “Это является огромным прорывом, ведь созданные ранее преобразователи света, встраиваемые внутрь волноводов, для эффективной работы должны были иметь размеры в десятки и сотни раз превышающие длину волны” – рассказывает Нэнфэнг Ю, – “Таким образом мы получили возможность сокращения габаритов устройств от 10 до 100 раз”.
Следующим шагом, который намерены сделать ученые, является поиск новых активных в оптическом плане материалов, свойствами которых можно управлять достаточно простыми методами. Эти материалы могут быть включены в состав волноводов и компонентов фотонных чипов, что обеспечит большую степень управления поляризацией и распространением света, что в свою очередь, позволит использовать технологию частотного мультиплексирования. Другими словами, таким образом можно будет заставить один фотонный чип стать “многоядерным” и выполнять параллельно обработку нескольких независимых потоков данных или команд, каждый из которых будет закодирован при помощи света такой же длины волны, но имеющего отличный от других угол поляризации.
Кроме этого, исследователи занимаются изучением преобразования света, циркулирующего внутри волноводов, в поверхностные волны, что можно будет использовать для создания новых систем-на-чипе, выполняющих анализ образцов химических веществ или биологических тканей.
Для любознательных
Интегрированные фотонные схемы сверхмалых размеров — это одно из самых перспективных направлений в микроэлектронике и квантовых технологиях. Они используют свет (фотоны), а не электрический ток (электроны), для передачи и обработки информации. Это позволяет достичь огромной скорости, низкого энергопотребления и высокой защищённости данных.
Кто разрабатывает в мире?
- TSMC (Тайвань)
— Ведущий мировой производитель полупроводников.
— Разрабатывает фотонные чипы по технологическим нормам 2–4 нм, интегрируя их в гибридные электронно-фотонные системы.
— Применяется в высокопроизводительных вычислениях (HPC) и ЦОДах. - Intel (США)
— С 2010-х годов активно инвестирует в фотонику на кремнии (Silicon Photonics).
— Создаёт оптические интерконнекты для процессоров и памяти, позволяя передавать данные на скорости до 100 Гбит/с и выше. - imec (Бельгия)
— Крупнейший исследовательский центр в области наноэлектроники.
— Работает над фотонными интегральными схемами (PIC) на основе нитрида кремния (SiN) и кремния, с потерями сигнала менее 0,1 дБ/см.
— Сотрудничает с IonQ (США) по квантовым фотонным процессорам. - IBM и GlobalFoundries (США/Европа)
— Разрабатывают фотонные чипы для квантовых компьютеров и нейроморфных систем. - NTT (Япония)
— Ведёт исследования в области квантовой фотоники и оптических нейросетей.
Кто разрабатывает в России?
Российские учёные и компании активно наращивают компетенции в фотонике, особенно в условиях импортозамещения:
- МГТУ им. Н.Э. Баумана + ВНИИ автоматики им. Н.Л. Духова
— Создали фотонные интегральные схемы с размерами структур до 50 нм.
— Потери сигнала — не более 5 дБ/м, что в несколько раз лучше, чем у многих мировых аналогов.
— Используют многослойную технологию и нитрид кремния для сверхмалых волноводов с шероховатостью менее 1 нм.
— Это позволяет создавать чипы, сопоставимые по производительности с 28-нм электронными процессорами, даже при использовании менее продвинутых литографических процессов. - ГК «Элемент» (включая завод «Микрон»)
— Крупнейший российский холдинг в микроэлектронике.
— Развивает альтернативные физические принципы, включая фотонику.
— Президент компании Илья Иванцов подчёркивает: даже при отставании в нанометрах, Россия может выйти в лидеры через нелинейные технологии, такие как фотонные схемы.
— Планируется применение в ЦОДах, ИИ, квантовых вычислениях. - Лаборатория «ФлексЛаб» (Университет ИТМО, Роснано, Северо-Западный наноцентр)
— В 2024 году представила фотонную интегральную схему с высокой степенью интеграции управляющих блоков.
— Уникальность — монолитная интеграция всех компонентов, что снижает стоимость и повышает надёжность.
— Применяется в медицинских сенсорах, рентгеноскопии, IoT. - НИИ «Прогресс»
— Входит в ГК «Элемент», специализируется на разработке компонентной базы, включая фотонные технологии.
Для чего это нужно?
Фотонные интегральные схемы применяются там, где критичны скорость, энергоэффективность и параллелизм:
- Искусственный интеллект и нейросети
— Фотонные сопроцессоры могут ускорять умножение матриц в тысячи раз, снижая энергопотребление ЦОДов.
— Например, оптические чипы могут выполнять операции в режиме реального времени без нагрева. - Квантовые компьютеры
— Фотоны — идеальные кубиты. Фотонные схемы используются для генерации, манипуляции и детектирования квантовых состояний. - Нейроморфные процессоры
— Моделируют работу мозга. Фотоника позволяет создавать быстрые и энергоэффективные нейронные сети. - Связь и телекоммуникации
— Оптические интерконнекты заменяют медные провода внутри чипов и между серверами, увеличивая пропускную способность. - Медицина и сенсорика
— Фотонные сенсоры на чипах используются в биомедицинской диагностике, лаборатории на чипе (lab-on-a-chip), ДНК-секвенировании. - Беспилотники и лидары
— Компактные фотонные чипы позволяют создавать твердотельные лидары без движущихся частей, что критично для автономного транспорта.
Перспективы
Россия, не конкурируя напрямую в гонке за нанометры, делает ставку на альтернативные технологии, и фотоника — один из ключевых козырей. По словам ректора МГТУ Михаила Гордина, такие чипы могут быть внедрены в:
- Картриджи для секвенаторов ДНК
- Нейроморфные чипы для ИИ
- Оптические квантовые процессоры
- Лидары для беспилотников
В настобящее время правительство РФ поручило Минпромторгу, Минобрнауке, Минфину и «Росатому» подготовить национальную программу развития фотоники — это сигнал, что направление будет активно поддерживаться.
Итог:
Фотонные схемы сверхмалых размеров — это будущее вычислений. Мир движется к гибридным электронно-фотонным системам, а Россия, благодаря прорывам «бауманцев», «Элемента» и ИТМО, имеет все шансы занять нишу в этом высокотехнологичном рынке.
