MIT News новые материалы добавят оптическую связь в кремниевые процессоры


Оглавление (нажмите, чтобы открыть):

Прогресс в технологии производства процессоров из углеродных нанотрубок

Век кремния в вычислительной технике подходит к концу, углеродные нанотрубки готовятся занять его место?

Группа исследователей из Массачусетского технологического института (MIT) разработала новый современный микропроцессор из углеродных нанотрубчатых транзисторов, которые широко рассматриваются как более быстрая и экологичная альтернатива их традиционным кремниевым аналогам.

Кремниевые транзисторы десятилетиями применялись в компьютерной индустрии. Она уменьшала их и использовала больше транзисторов в микросхемах каждые несколько лет, чтобы те могли выполнять все более сложные вычисления. Но эксперты предвидят время, когда кремниевые транзисторы нельзя будет уменьшить.

Создание полевых транзисторов из углеродных нанотрубок (CNFET) стало основной целью для создания компьютеров следующего поколения. Исследования показывают, что они обладают свойствами, которые обещают примерно в 10 раз более высокую энергоэффективность и гораздо более высокие скорости по сравнению с кремнием. Однако при изготовлении в масштабе эти транзисторы часто имеют множество дефектов.

Исследователи из Массачусетского технологического института изобрели новые методы для существенного снижения дефектов и обеспечения полного функционального контроля при изготовлении этого типа транзисторов. Они продемонстрировали 16-битный микропроцессор, содержащий более чем 14 000 CNFET, которые выполняют те же задачи, что и коммерческие микропроцессоры.

Подобные углеродные микропроцессоры делаются с использованием тех же самых технологий, которые применяются для изготовлении кремниевых чипов. Это важно, поскольку может способствовать их скорейшему практическому использованию.

«У кремния есть пределы, и если мы хотим продолжать иметь успехи в вычислительной технике, углеродные нанотрубки представляют собой один из наиболее многообещающих способов преодоления этих ограничений» — сказал соавтор Макс М. Шулакер.

Тем не менее новый микропроцессор из углеродных нанотрубок еще не готов заменить кремниевые чипы. Каждый из них имеет ширину около микрометра (1 мкм = 1000 нм), по сравнению с современными кремниевыми транзисторами, которые имеют размеры в десятки нанометров. Каждый транзистор с углеродными нанотрубками в этом прототипе может включаться и выключаться примерно миллион раз в секунду, тогда как кремниевые транзисторы могут мигать миллиарды раз в секунду.

С уменьшение нанотрубчатых транзисторов электричество будет проходить через них с меньшим сопротивлением, что позволит чипам на их основе работать быстрее. Этому также будет способствовать параллельное выравнивание нанотрубок, а не использование случайно ориентированной сетки.

Хотя никто не может сказать, когда микросхемы, сделанные полностью из углеродных нанотрубок, попадут на полки, Макс Шулакер говорит, что это может произойти менее чем через пять лет.

Найден «убийца» кремния: Полупроводник, пригодный для техпроцесса 0,6 нм

Американские ученые нашли два полупроводника со способностью к окислению и созданию изолирующей пленки не хуже, чем у кремния. Применение этих материалов уменьшит толщину микросхем до 0,6-0,7 нм и снизит их энергопотребление.

Новые материалы

Исследователи Стэнфордского университета, США, предлагают использовать для производства микросхем вместо кремния два других соединения — диселениды гафния и циркония. Идея принадлежит доценту электроинженерии Эрику Попу (Eric Pop) и пост-докторанту Михалу Млечко (Michal Mleczko). Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Advances.

Технические особенности

По словам исследователей, два найденных полупроводника могут окисляться и создавать в процессе окисления тонкие изолирующие пленки. Толщина микросхемы из диселенидов гафния и циркония, не превышает три атома, то есть около 0,6-0,7 нм. В случае с кремнием минимальная толщина схемы составляет 7 нм, при уменьшении ее до 5 нм схемы перестают быть рабочими.

Пленка, которую создают диселениды гафния и циркония, не нуждается в специально нанесенном диэлектрическом покрытии, поскольку она в этом отношении даже более проницаема, чем пленка диоксида кремния. Поэтому на работу новых схем будет расходоваться меньше энергии, что выразится для конечного потребителя в таких удобствах как уменьшение размера аккумулятора готового устройства и увеличение срока его автономной работы.

По словам Попа и Млечко, теперь перед ними стоит три задачи. Первая — подвести электрические контакты к этим сверхтонким схемам. Второе — улучшить контроль над окисленными изоляторами, чтобы гарантировать их стабильность. Наконец, после решения этих проблем можно будет заняться совмещением новых схем с другими материалами и масштабирования их до готовых к использованию транзисторов.

Другие варианты замены кремния

В апреле 2020 г. свой способ заменить кремний в микросхемах предложили исследователи из Венского технического университета. Они создали микропроцессор, который базируется на двухмерном полупроводнике. В качестве полупроводникового материала был использован дисульфид молибдена.

Чип имеет площадь 0,6 кв. мм. Это однобитный микропроцессор со 115 транзисторами. Процессор может исполнять программы – как за счет встроенной, так и за счет внешней памяти. Производительность процессора можно увеличить путем соединения нескольких таких чипов в одну схему. Вообще, это самая сложная схема из 2D-материалов, существующая на данный момент, утверждают разработчики.

2D-материалы получили свое название за очень небольшую толщину пласта – она достигает всего одного атома. Для электроники это означает возможность создать чип, который будет прозрачным, гибким и более энергоэффективным, чем обычные процессоры. Двухмерные полупроводники считаются основой для прозрачной и ультратонкой техники будущего.


Исследователи приносят оптическую связь на кремниевую микросхему — Физика — 2020

Дудь про Колыму — разбор Гоблина и Жукова (Ноябрь 2020).

Огромное увеличение производительности компьютеров за последние десятилетия было достигнуто за счет сжимания все большего количества транзисторов в более компактное место на микрочипах.

Однако это сокращение также означало уплотнение проводки внутри микропроцессоров еще более плотно вместе, что приводило к таким эффектам, как утечка сигнала между компонентами, что может замедлить связь между различными частями чипа. Эта задержка, известная как «узкое место межсоединения», становится все более серьезной проблемой в высокоскоростных вычислительных системах.

Одним из способов решения проблемы узкого места соединения является использование света, а не провода для связи между различными частями микрочипа. Однако это непростая задача, поскольку кремний, материал, используемый для сборки чипов, не легко излучает свет, по словам Пабло Джарилло-Эрреро, доцента физики в Массачусетском технологическом институте.

Теперь, в публикации, опубликованной сегодня в журнале Nature Nanotechnology, исследователи описывают светоизлучатель и детектор, которые могут быть интегрированы в кремниевые CMOS-чипы. Первым автором статьи является MIT postdoc Ya-Qing Bie, к которому присоединился Ярильо-Эрреро и междисциплинарная команда, в том числе Дирк Энглунд, адъюнкт-профессор электротехники и информатики в Массачусетском технологическом институте.

Устройство построено из полупроводникового материала, называемого дителлуридом молибдена. Этот ультратонкий полупроводник относится к появляющейся группе материалов, известных как двумерные дихалькогениды переходных металлов.

В отличие от обычных полупроводников, материал можно укладывать поверх кремниевых пластин, говорит Джарилло-Эрреро.

«Исследователи пытались найти материалы, которые совместимы с кремнием, чтобы принести оптоэлектронику и оптическую связь на кристалле, но пока это оказалось очень сложным», — говорит Джарилло-Эрреро. «Например, арсенид галлия очень хорош для оптики, но его нельзя выращивать на кремнии очень легко, потому что два полупроводника несовместимы».

Напротив, двумерный дителлурид молибдена может быть механически прикреплен к любому материалу, говорит Джарилло-Эрреро.

Еще одна трудность с интеграцией других полупроводников с кремнием заключается в том, что материалы обычно излучают свет в видимом диапазоне, но свет на этих длинах волн просто поглощается кремнием.

Дилитлурид молибдена излучает свет в инфракрасном диапазоне, который не поглощается кремнием, что означает, что он может использоваться для связи внутри кристалла.

Чтобы использовать материал в качестве светоизлучателя, сначала исследователи должны были преобразовать его в диод PN-перехода, устройство, в котором одна сторона, сторона P, заряжается положительно, а другая сторона N отрицательно заряжена.

В обычных полупроводниках это обычно делается путем введения химических примесей в материал. Однако с новым классом 2-D материалов это можно сделать, просто наложив напряжение на металлические металлические электроды, расположенные бок о бок поверх материала.

«Это значительный прорыв, потому что это означает, что нам не нужно вводить химические примеси в материал (чтобы создать диод). Мы можем делать это электрически», — говорит Джарилло-Эрреро.

Как только диод производится, исследователи проводят ток через устройство, заставляя его излучать свет.

«Таким образом, используя диоды из дителлурида молибдена, мы можем изготовить светодиоды (светодиоды), совместимые с кремниевыми чипами», — говорит Джарилло-Эрреро.

Устройство также можно переключить на работу в качестве фотоприемника, изменив полярность напряжения, приложенного к устройству. Это приводит к тому, что он перестает проводить электричество, пока свет не светит на нем, когда ток перезапускается.

Таким образом, устройства способны передавать и принимать оптические сигналы.

Устройство является доказательством концепции, и еще предстоит проделать большую работу, прежде чем технология может быть превращена в коммерческий продукт, говорит Джарилло-Эрреро.

Теперь исследователи изучают другие материалы, которые могут использоваться для оптической связи на кристалле.

Например, большинство телекоммуникационных систем работают с использованием света с длиной волны 1, 3 или 1, 5 микрометра, говорит Джарилло-Эрреро.

Однако дителлурид молибдена излучает свет на 1, 1 микрометра. Это делает его пригодным для использования в кремниевых чипах, найденных на компьютерах, но непригодным для телекоммуникационных систем.


«Было бы очень желательно, если бы мы могли разработать аналогичный материал, который мог бы излучать и обнаруживать свет на длине волны 1, 3 или 1, 5 микрометра, где работает связь через оптическое волокно», — говорит он.

С этой целью исследователи изучают другой ультратонкий материал, называемый черным фосфором, который может быть настроен на излучение света на разных длинах волн путем изменения количества используемых слоев. Они надеются разработать устройства с необходимым количеством слоев, чтобы позволить им излучать свет на двух длинах волн, оставаясь при этом совместимым с кремнием.

«Надеемся, что если мы сможем передавать информацию через оптические сигналы вместо электронных сигналов, мы сможем сделать это быстрее и потреблять меньше энергии», — говорит Джарилло-Эрреро.

Оптоэлектронику научились встраивать в стандартные кремниевые чипы

Дителлурид молибдена оказался материалом, хорошо подходящим для создания оптоэлектронных чипов. На основе этого материала группа ученых из США, Испании и Японии разработала передатчик и приемник светового сигнала, которые относительно легко интегрировать в кремниевую электронику с помощью существующих технологий производства. Статья опубликована в журнале Nature Nanotechnology.

Практически во всей существующей электронике для передачи сигнала между компонентами и внутри них используются электропроводящие соединения и передаваемые по ним электрические сигналы, а оптическая передача данных применяется на относительно больших расстояниях. Но из-за постоянной миниатюризации, а также уплотнения транзисторов и других элементов микросхем, в них возникают нежелательные электрические явления, например, паразитная емкость. В результате их энергопотребление может возрастать, а время распространения сигнала падать. Это заставляет исследователей разрабатывать новые способы передачи данных между компонентами, и в качестве наиболее перспективного рассматривается оптическая передача. Она позволяет избежать этих эффектов, а также посылать одновременно множество сигналов, а не использовать временное мультиплексирование.

Зачастую в разрабатываемых фотонных чипах используется гибридная схема, при которой вычисления происходят с помощью электронных компонентов чипа, а передача данных между ними — с помощью света. Для этого на чипах создаются миниатюрные источники и приемники света. Несмотря на то, что в этой сфере уже есть некоторые прототипы, из-за плохой совместимости материалов процесс интеграции этих оптоэлектронных компонентов в кремниевую электронику довольно сложен.

Схема двух режимов работы устройства, а также его строение

Ya-Qing Bie et al. / Nature Nanotechnology, 2020

Ученые из MIT создали рабочий 16-битный процессор из нанотрубок

Команда исследователей из MIT разработала 16-битный микропроцессор при помощи углеродных нанотрубок и даже смогла запустить на нем программу.

Традиционные процессоры, основанные на кремнии, все ближе к лимитам того, насколько возможно уменьшение элементов, так что ученые активно изучают альтернативные материалы, подходящие для использования в чипах. Судя по опытам, сделанные из скрученных в трубочку листов углерода транзисторы, шириной в один атом, также известные как углеродные нанотрубки, однажды могут стать основой для вычислительной техники, предоставляя высокую производительность и низкое энергопотребление.

Различные формы углерода, в том числе и нанотрубки, отличаются интересной историей, однако хайп в первую очередь связан с их рекордной прочностью в сравнении с размером, а также другими интересными свойствами в области электроники. Последние стали причиной, что ученые прогнозируют нанотрубкам энергоэффективность в 10 раз выше кремниевых полупроводников.

Первая научная работа, посвященная однобитному процессору на нанотрубках, была опубликована еще в 2013 году, однако теперь команда MIT под руководством Гейдж Хиллса и Кристиана Лау представила RV16X-NANO, использующий нанотрубки для транзисторов. Новый 16-битный чип был создан на основе стандартного процесса, который применяется в кремниевых чипах. По сути, можно сказать, что это обычный кремниевый процессор, только с углеродными нанотрубками вместо кремния.

Процессор работает достаточно хорошо, чтобы запускать программу HELLO WORLD, которая выводит соответствующую фразу. Производительность его сопоставима с процессорами, которые можно купить в хобби-магазине для встраивания в мини-робота.

Создание чипа начинается с кремниевой пластины. Исследователи погружают ее в раствор, содержащий нанотрубки. Когда пластина высыхает, нанотрубки удаляются — за исключением тех, что используются в качестве транзисторов. После этого добавляются металлические контакты, провода и пластины разрезают на микрочипы.

Производство такого чипа потребовало температуры чуть ниже 325 градусов по Цельсию. Звучит горячо, но это ничто в сравнении с температурой выше 1000 градусов по Цельсию, которая необходима для производства кремниевых транзисторов. Такая «низкая» температура позволяет размещать дополнительные слои друг на друга, производя плотные трехмерные чипы.

Финальная цель будет заключаться не в том, чтобы отказаться от десятилетий прогресса с кремнием, а использовать опыт и наработки для постепенной интеграции нанотрубок в существующую архитектуру.

Мастер Йода рекомендует:  В уме и на пальцах 7 простых математических трюков

Первые попытки и доказательства концепций — это отличные новости для будущего как электроники, так и человечества в целом.

10 важнейших технологий 2020 года. Часть вторая

2020 год далек от завершения, но это не означает, что мы не можем называть самые быстро развивающиеся, а вместе с тем и важнейшие для нашего будущего технологии. Журнал Scientific American собрал десятку громких названий, о которых мы писали, пишем и будем писать в этом году. Возможно, именно они изменят этот мир. Возможно, именно они сделают будущее таким, каким оно должно быть.

Органы-на-чипе открывают новые виды на биологию человека

Вопреки голливудским стереотипам, вы не найдете живых человеческих органов, плавающих в лабораториях биологов. Если даже отринуть все технические трудности поддержания органа вне тела, целые органы слишком ценны как трансплантаты, чтобы пускать их на эксперименты. И все же много важных биологических исследований и практических испытаний лекарств можно провести только изучая орган в процессе его работы. Новая технология может решить этот вопрос практически: за счет выращивания функциональных человеческих органов в миниатюре, на микрочипах.


В 2010 году Дональд Ингбер из Института Висса разработал легкие-на-чипе, первые в своем роде. Коммерческий сегмент быстро подключился к разработкам, включая компанию Emulate во главе с Ингбером и другими из Института Висса, а также DARPA. С тех пор разные группы ученых сообщали об успешной реализации миниатюрных моделей легких, печени, почек, сердца, костного мозга и роговицы. Далее будут и другие.

Каждый орган-на-чипе по размерам примерно с флешку USB. Он изготовлен из гибкого полупрозрачного полимера. Микрожидкие трубки, каждая меньше миллиметра в диаметре, подведены к клеткам, взятым из интересующего ученых органа, и работают в сложном тандеме с чипом. Когда питательные вещества, кровь и тестовые компоненты вроде экспериментальных препаратов закачиваются по трубкам, клетки повторяют ключевые функции живого органа.

Камеры внутри чипа могут быть организованы так, чтобы имитировать определенную структуру ткани органа вроде крошечных воздушных мешков в легком. Воздух проходит через канал и весьма точно имитирует человеческое дыхание. В то же время кровь, наполненную бактериями, можно накачивать по другим трубкам и наблюдать, как клетки реагируют на инфекцию, без какого-либо риска для человека. Эта технология позволяет ученым наблюдать биологические механизмы и физиологическое поведение, как никогда прежде.

Микрочипы с органами обеспечивают прорыв для компаний, которые разрабатывают новые лекарства. Их способность эмулировать человеческие органы позволяют точно и реалистично испытывать возможные лекарства. В прошлом году, например, одна группа использовала чип для имитации способа, которым эндокринные клетки выделяют гормоны в кровоток, и провела важные исследования лекарства от диабета.

Другие группы изучают возможность использования органов-на-чипе в персонализированной медицине. В принципе, эти микрочипы можно создавать из стволовых клеток, извлеченных у самих пациентов, а затем проводить испытания, которые позволят определить индивидуальные методы лечения, у которых будет больше шансов на успех.

Остается надежда, что миниатюрные органы могли бы значительно уменьшить зависимость фармацевтической промышленности от испытаний на животных. Миллионы животных умерщвляют каждый год в ходе таких тестов, отчего рождаются горячие споры. Но если даже не говорить об этической стороне вопроса, испытания на животных просто неэффективны, поскольку люди могут иначе реагировать на те же лекарства. Испытания на миниатюрных органах людей могут быть куда удачнее.

Военные также полагают, что у органов-на-чипе также есть потенциал спасать жизни, но немного другой. Искусственное легкое, а также другие подобные органы, может быть следующим крупным шагом в исследовании того, как биологическое, химическое или радиологическое оружие влияет на людей. Сейчас, по очевидным этическим причинам, такие испытания невозможны.

Солнечные элементы из перовскитов переживают подъем

Кремниевые солнечные элементы, которые в настоящее время преобладают на мировом рынке, страдают от трех фундаментальных ограничений. Новый перспективный способ производства высокоэффективных солнечных элементов с использованием перовскитов вместо кремния может решить все три одновременно и существенно повысить выработку электричества из солнечного света.

Первое серьезное ограничение кремниевых фотоэлектрических ячеек заключается в том, что они изготовлены из материала, который редко встречается в природе в чистой элементарной форме, которая необходима. Хотя нехватки кремния в форме диоксида кремния (песок на пляже) нет, необходимо приложить огромное количество энергии, чтобы избавить его от кислорода. Обычно производители нагревают диоксид кремния до 1500–2000 градусов по Цельсию в дуговой сталеплавильной печи. Энергия, необходимая для работы таких печей, устанавливает фундаментальный нижний предел себестоимости производства кремниевых фотоэлектрических ячеек и также добавляет выбросов парниковых газов в процессе производства.

Перовскиты — широкомасштабный класс материалов, в которых органические молекулы, состоящие в основном из углерода и водорода, связываются с металлом вроде свинца и галогеном вроде хлора в трехмерную кристаллическую решетку. Их производство может быть намного дешевле, а связанных с ним выбросов — намного меньше. Производители могут наносить перовскиты тонкой пленкой на поверхность практически любой формы без необходимости использовать печь. Пленка также весит очень мало.

Что, в свою очередь, устраняет второе большое ограничение кремниевых солнечных ячеек: их жесткость и вес. Кремниевые фотоэлектрические элементы прекрасно подходят для использования на плоских больших панелях. Но делать крупномасштабные инсталляции таких панелей весьма дорого, поэтому вы обычно видите их на крышах домов и на «солнечных фермах».

Третье серьезное ограничение традиционных солнечных элементов заключается в их эффективности преобразования энергии, которая уже 15 лет стоит на отметке в 25%. Изначально перовскиты обещали куда более низкую эффективность. В 2009 году элементы из перовскитов на основе свинца, иодида и метиламмония превращали менее 4% полученного солнечного света в электричество. Но темп развития перовскитов оказался феноменальным, отчасти благодаря тому факту, что этот класс материалов позволяет работать с тысячами различных химических составов. К 2020 году эффективность солнечных элементов на основе перовскитов подобралась к 20% — пятикратное улучшение всего за семь лет с удвоением эффективности за последние два года. Теперь они могут конкурировать коммерчески с кремниевыеми фотоэлектрическими элементами, а пределы эффективности перовскитов все еще могут быть намного выше. Быстро развивающиеся фотоэлектрические элементы на основе перовскитов очень скоро могут обойти уже зрелую технологию кремниевых ФЭ.

Ученым еще предстоит ответить на несколько важных вопросов о перовскитах, например, как они будут противостоять многолетним атмосферным воздействиям и как можно наладить их производство в таком количестве, чтобы конкурировать с кремниевыми панелями на мировом рынке. Но даже относительно небольшой приток этих новых элементов может помочь обеспечить солнечной энергией удаленные районы, еще не подключенные к электросети. В сочетании с развивающимися технологиями батарей, перовскитные солнечные ячейки могут помочь трансформировать жизни 1,2 миллиарда человек, которым в настоящее время не хватает надежного электричества.

Метаболическая инженерия превращает микробов в фабрики

Проследите путь продуктов, которые мы покупаем и используем каждый день — от пластмассы и тканей до косметики и топлива — до их появления и обнаружите, что подавляющее их большинство было сделано из материалов, созданных в глубоком подполье. Заводы, которые производят все необходимое для современной жизни по большому счету производят это из самых разных химических веществ. Эти химические вещества производятся на заводах в основном из ископаемого топлива — в основном, продуктов нефти — которое разбивается на множество других соединений.

Для климата и, возможно, для мировой экономики было бы гораздо лучше производить многие химические вещества для промышленности из живых организмов, а не из нефти, газа и угля. Мы уже используем сельскохозяйственную продукцию таким образом — мы носим хлопчатобумажную одежду и живем в деревянных домах — но растения не являются единственным источником ингредиентов. Микробы могут предложить гораздо больше в долгосрочной перспективе и делать недорогие материалы с широким набором свойств, которые мы принимаем как должное. Вместо того чтобы выкапывать сырье из земли, мы можем «варить» его в гигантских биореакторах, наполненных живыми микроорганизмами.

Чтобы химическое производство на биологической основе начало работать, оно должно начать конкурировать с обычным химическим производством как в цене, так и в производительности. Благодаря новейшим достижениям в области систем метаболической инженерии, которая меняет биохимию микробов, чтобы они тратили свою энергию и ресурсы на синтез полезных химических продуктов, эта цель оказалась в пределах досягаемости. Иногда эти настройки включают изменение генетического состава организмов; иногда включают более сложную инженерию микробного метаболизма и настройки свойств системы.

С новейшими достижениями в сфере синтетической биологии, биологии систем и эволюционной инженерии, метаболическая инженерия теперь способна создавать биологические системы, способные производить химические вещества, которые трудно (и дорого) производить традиционными способами. В рамках одной из последних успешных демонстраций, микробы были настроены на производство [поли(лактата-со-гликолата)], имплантируемого, биоразлагаемого полимера, который используется в качестве хирургического шовного материала, для имплантатов и протезов, а также для доставки лекарственных средств против рака и инфекций.

Системы метаболической инженерии также использовались для создания штаммов дрожжей, которые производят опиоиды для лечения боли. Эти лекарства нужны по всему миру, особенно в развивающихся странах, в которых с болью борются недостаточно эффективно.

Ассортимент химических веществ, которые можно производить с использованием метаболической инженерии, расширяется с каждым годом. Хотя этот метод вряд ли сможет воспроизвести все продукты, извлекаемые из нефтепродуктов, он зато сможет открыть нам новые химические вещества, которые никогда не были бы произведены из ископаемого топлива — в частности, сложные органические соединения, которые в настоящее время слишком дороги, поскольку их нужно извлекать из растений или животных, да и то в крошечных количествах.

В отличие от ископаемого топлива, химические вещества из микробов практически ничем не ограничены и испускают относительно мало парниковых газов; некоторые из них теоретически могут обратить вспять поток углерода с Земли в атмосферу, поглощая диоксид углерода или метан и включая его в продукты, которые в конечном итоге будут захоронены как твердые отходы.


По мере наращивания биохимического производства для промышленного использования, придется также внимательно следить за тем, чтобы случайно не выбросить инженерных микроорганизмов в окружающую среду. Хотя эти тонко настроенные микробы окажутся в невыгодном положении в дикой природе, лучше держать их безопасно в своих баках, счастливо работая над производством полезных вещей на благо человечества и окружающей среды.

Блокчейн усиливает конфиденциальность, безопасность и неприкосновенность данных

Блокчейн, или же цепочка блоков транзакций, — это термин, известный по цифровой валюте биткойн: децентрализованная общественная сеть транзакций, которой не владеет и не управляет ни один человек, ни одна организация. Любой пользователь может получить доступ ко всему блокчейну, и каждый перевод средств с одного аккаунта на другой записывается и верифицируется с использованием математических методов, заимствованных из криптографии. Поскольку копии блокчейна разбросаны по всей планете, он считается эффективным методом защиты от взлома.

Проблемы, которые представляют биткоины для правоохранительных органов и международного валютного контроля, обсуждаются постоянно. Но блокчейн находит применение и за пределами простых денежных операций.

Как и сеть Интернет, блокчейн представляет собой открытую глобальную инфраструктуру, на которой могут быть построены другие технологии и приложения. И, как и Интернет, он позволяет людям обходить традиционных посредников, работая друг с другом, тем самым снижая или вовсе убирая операционные издержки.

Используя блокчейн, отдельные лица могут обменивать деньги или покупать страховку безопасно или без банковского счета, даже через национальную границу — это может стать прорывом для двух миллиардов человек в мире, в котором правят финансовые институты. Технология блокчейна позволяет незнакомцам заключать быстрые и надежные контракты без юристов и посредников. Можно продать недвижимость, билеты, акции или другой вид собственности или прав без брокера.

Долгосрочные последствия использования блокчейна для профессиональных посредников, вроде банков, адвокатов и брокеров, могут быть весьма серьезными и не обязательно в худшую сторону, ведь сами эти посредники платят огромные суммы в виде операционных издержек на ведение бизнеса. Аналитики Santander InnoVentures, например, подсчитали, что к 2022 году технология блокчейна могла бы сэкономить банкам более 20 миллиардов долларов в год.

Около 50 крупных банков заявили об инициативе изучения и использования блокчейна. Инвесторы вложили более миллиарда долларов в прошлом году в стартапы, которые будут эксплуатировать блокчейн для широкого круга предприятий. Техногиганты вроде Microsoft, IBM и Google уже ведут проекты блокчейнов.

Поскольку блокчейновые транзакции регистрируются с использованием частных и публичных ключей — длинных строк символов, нечитабельных для людей — люди могут сохранять анонимность, позволяя третьим лицам верифицировать их цифровое рукопожатие. И не только люди: организации могут использовать блокчейны для хранения публичных записей и гарантий.

Пожалуй, самым обнадеживающим преимуществом технологии блокчейна является стимул, который он создает для участников: работать честно и по правилам, которые одинаковы для всех. Биткоины привели к известным злоупотреблениям в торговле контрабандой, и определенное злоумышленное использование технологии блокчейна будет неизбежно. Эта технология не делает кражу невозможной, только усложняет ее. Но, как и любая технология, блокчейн совершенствуется и улучшается, и в этом его перспективы весьма радужны.

Двумерные материалы создают новые инструменты для технологов

Новые материалы могут изменить мир. Мы не просто так говорим о бронзовом веке и о железном веке. Бетон, нержавеющая сталь и кремний привели нас в современную эпоху. Теперь же новый класс материалов, состоящих из одного слоя атомов, отмечают далеко идущие возможности. Этот класс двумерных материалов за последние несколько лет вырос и включает решетчатые слои углерода (графен), бора (борофен), гексагонального нитрида бора (белый графен), германий (германен), кремния (силицен), фосфора (фосфорофен) и олова (станен). Много других двумерных материалов были показаны в теории, но еще не синтезированы, вроде графана из углерода. У каждого из них удивительные свойства, и различные двумерные субстанции можно совмещать как кубики LEGO, создавая новые материалы.

Революция монослоев началась в 2004 году, когда двое ученых создали двумерный графен с помощью обычного скотча — пожалуй, это первый раз, когда нобелевское открытие было сделано с использованием инструмента, который можно найти даже в детском саду. Графен прочнее стали, тверже алмаза, легче всего остального, прозрачный, гибкий и прекрасно проводит электричество. Он также непроницаем для большинства веществ, за исключением водяного пара, который свободно протекает через молекулярную сетку.

Мастер Йода рекомендует:  JSON — всё по этой теме для программистов

Изначально графен стоил дороже золота, но благодаря улучшению технологий производства упал в цене. Гексагональный нитрид бора также коммерчески доступен и следует подобной траектории. Графен стал достаточно дешевым, чтобы его можно было включать в водные фильтры, предназначенные для опреснения и очистки сточных вод. По мере снижения стоимости, графен можно будет добавлять в бетон и асфальт для очистки городского воздуха, поскольку помимо своей прочности, этот материал поглощает моноксид углерода и оксиды азота из атмосферы.

Другие двумерные материалы, вероятно, будут следовать траектории графена и найдут применение в различных сферах по мере снижения стоимости производства, особенно в электронике. Технологи до сих пор открывают для себя новые уникальные свойства двумерных материалов. Графен, например, используется для производства гибких датчиков, которые можно зашить в одежде — или напрямую распечатать в 3D-ткани, используя другую технику производства. При добавлении к полимерам, графен может сделать крылья самолета легче и прочнее.

Гексагональный нитрид бора совместили с графеном и нитридом бора для улучшения литий-ионных батарей и суперконденсаторов. Умещая больше энергии в меньших объемах, эти материалы могут снизить время зарядки, продлить жизнь батареи и снизить вес — это будет полезно везде, от смартфонов до электромобилей.

Всякий раз, когда новые материалы попадают в окружающую среду, возникают опасения на тему их токсичности. Десять лет токсикологических исследований графена не выявили ничего, что могло бы подогреть озабоченность на тему его влияния на здоровье и окружающую среду. Но исследования продолжаются.

Изобретение двумерных материалов создало новый ящик с мощными инструментами для технологов. Ученые и инженеры смешивают и сопоставляют эти сверхтонкие соединения — каждое с уникальными оптическими, механическими и электрическими свойствами — для производства материалов, оптимизированных для самых разных применений. Сталь и кремний, основы индустриализации 20 века, выглядят неуклюжими и сырыми по сравнению со своими наследниками.

Перспективные приложения кремниевой фотоники

Версия для печати:

Дата-центры переходят на оптическую связь

Трафик через дата-центры в ближайшие пять лет вырастет втрое: с 5 зеттабайт (Збайт) в 2015 г. до 15 Збайт к 2020 г. Увеличение объема данных, распространение концепции параллельных вычислений, предполагающей одновременную работу нескольких серверов, повышают требования к скорости их передачи. В подавляющем большинстве дата-центров сейчас используются сетевые кабели. Их пропускная способность (основанная на передаче электрического сигнала) достигла своего предела и недостаточна для удовлетворения растущих потребностей в высокоскоростной передаче данных. За счет оптических коммуникаций можно достичь значительного прогресса как в скорости обмена информацией, так и в дальности расстояния, на которое передается сигнал.

Решения для оптических коммуникаций, доступные на рынке сегодня, выглядят как громоздкие системы с несколькими разделенными элементами, выполняющими функции генерации излучения, раздельной модуляции и детектирования.Технологии кремниевой фотоники совмещают все указанные элементы, включая среду для транспортировки света между ними, на одном кремниевом чипе. Переход на них сократит общие энергозатраты дата-центров, приведет к снижению тепловыделения и веса оборудования, в частности кабелей.


Эффекты

Подготовка инфраструктуры дата-центров к реализации технологий Интернета вещей и к росту облачных сервисов

Увеличение эффективности обработки «больших данных»

Рост количества разработок в области лазерных излучателей на основе кремния

Оценки рынка

$410 млн

к 2024 г. составит совокупный объем рынка решений кремниевой фотоники для дата-центров (среднегодовой темп роста – 40%)

212 млн ед. к 2024 г. – количество устройств кремниевой фотоники

Драйверы и барьеры

Технологические сложности, связанные с созданием излучателя на основе кремния

Развитие облачных сервисов и переход от традиционных внутриорганизационных дата-центров к централизованным облачным аналогам

Технологические сложности, связанные с невозможностью создания излучателя на основе кремния

Высокие затраты на разработку решений кремниевой фотоники

Высокие затраты на техническое переоснащение существующих дата-центров

Международные
научные публикации
Международные
патентные заявки
Уровень развития
технологии в России

«Белые пятна» – существенное отставание от мирового уровня, отсутствие (или утрата) научных школ.

Оптическая связь для суперкомпьютеров

Для вычислений в области квантовой физики, молекулярного моделирования, симуляции физических процессов, климатических исследований и прогнозирования погоды нужны высокопроизводительные вычислительные машины. Использование одного процессора уже не позволяет получить требуемую производительность, что приводит к распространению концепции мультипроцессорной системы.

В такой системе вычисления распределены между множеством процессорных чипов, а ее производительность прямо пропорциональна их количеству. Благодаря использованию кремниевой фотоники все процессоры связываются между собой и с модулями памяти проводящими дорожками, сформированными в кремнии во время производства чипа. При этом создается миниатюрное подобие телекоммуникационной сети, максимальная пропускная способность которой ограничена (загруженность процессоров зависит от своевременности подвода к ним пакетов информации). Переход от электронной передачи к оптической (на основе кремниевой фотоники) существенно повышает пропускную способность сети-на-чипе, одновременно снижая энергозатраты и тепловыделение. Оптические и модулирующие компоненты системы создаются на чипе в рамках одного технологического процесса, так же как при изготовлении традиционных микроэлектронных устройств. А увеличение стоимости производства при этом минимально благодаря использованию традиционного материала микроэлектронной промышленности — кремния.

Эффекты

Увеличение вычислительного потенциала современных суперкомпьютеров


Увеличение скорости комплексного моделирования для прогнозирования различных процессов в науке и технике

Расширение использования решений кремниевой фотоники в потребительской электронике

Оценки рынка

$435 млн

может составить к 2024 г. совокупный объем рынка решений кремниевой фотоники для высокопроизводительных вычислительных машин (среднегодовой темп роста — до 46%).

В 2024 г. численность устройств кремниевой фотоники для высокопроизводительных компьютеров составит 108,6 млн ед.

Драйверы и барьеры

Повышение требований к производительности суперкомпьютеров

Оптические сети создаются в одной системе и на основе одного материала с процессорами

Традиционные электронные соединения не позволяют достичь нужных скоростей передачи информации от чипа к чипу

Технологические сложности в создании кремниевого излучателя: необходимость усложнения архитектуры чипа и использования лазеров на основе других материалов

Высокие затраты на разработку решений кремниевой фотоники

Международные
научные публикации
Международные
патентные заявки
Уровень развития
технологии в России

«Белые пятна» – существенное отставание от мирового уровня, отсутствие (или утрата) научных школ.

Оптика свободного пространства

С каждым годом увеличивается потребность в беспроводной передаче данных на больших скоростях. Новые решения, требующие выделения новых частот в «густонаселенном» радиодиапазоне электромагнитного спектра, не могут обеспечить высокоскоростной передачи информации (больше 1 Гбит/сек) на большие расстояния, а прокладка оптоволоконных сетей весьма затратна. Альтернативой радиочастотному диапазону для некоторых специфических областей применения может стать видимый, инфракрасный и ближний ультрафиолетовый диапазоны излучения. Такой вид связи получилназвание Free space optics (FSO) — оптика свободного пространства.

На рынке уже представлены решения для наружной передачи оптической информации на большие расстояния (до 150 км) и для оптических сетей внутри помещения (Visible light communication — VLC), выстраиваемых посредством высокочастотной модуляции света, испускаемого светодиодными лампами (LED). К потенциальным применениям технологии оптической беспроводной связи относят коммуникации между чипами, передачу на короткие расстояния (в том числе под водой), коммуникации на средние (Li-Fi сети, связь автомобиля с инфраструктурой и с другими транспортными средствами), дальние (например, между зданиями) и сверхдальние (космическая связь) расстояния.

Эффекты

Появление в потребительской электронике модулей для приема и передачи беспроводной оптической информации

Новые возможности для создания устройств «умного» дома


Подключение к сети труднодоступных регионов

Устройства научатся «общаться» с окружающей «умной» инфраструктурой посредством света

Оценки рынка

$8,5 млрд

может составить к 2020 г. совокупный объем рынка решений оптической беспроводной связи на короткие расстояния внутри помещений (VLC) при среднегодовом темпе роста до 92% (2015–2020 гг.)

Рынок беспроводной оптической коммуникации на дальние и сверхдальние расстояния оценивается почти в $1 млрд к 2020 г. (среднегодокой темп роста — ок. 50%)

Драйверы и барьеры

Потребность в удешевлении передачи информации на высоких скоростях на дальние расстояния

Потребность в создании защищенных сетей в рамках одного помещения или комнаты

Высокая экономичность технологии при использовании светодиодных ламп в качестве источников сигнала

Экономичный способ решения проблемы «последней мили» в телекоммуникации при доставке сигнала от провайдера до пользователя

Зависимость пропускной способности при передаче на дальние расстояния от текущих погодных условий

Источник беспроводного сигнала должен находиться в прямой видимости приемника излучения

Международные
научные публикации
Международные
патентные заявки
Уровень развития
технологии в России

«Заделы» – наличие базовых знаний, компетенций, инфраструктуры, которые могут быть использованы для форсированного развития соответствующих направлений исследований.

Создан первый процессор на основе углеродных нанотрубок

Ресурс современных кремниевых процессоров подходит к концу, закон Мура в недалёком будущем перестанет действовать. В результате учёные ищут замену. Транзисторы на основе углеродных нанотрубок считаются перспективной технологией, к тому же экологически чистой. В Массачусетском Технологическом Институте (MIT) создали подобные транзисторы с применением техпроцесса, который работает и для кремниевых чипов.

Созданный микропроцессор описали в журнале Nature. Поскольку не нужно менять процесс производства, стоимость выпуска новых процессоров будет ниже, чем могла бы быть.

Полевые транзисторы с углеродными нанотрубками (CNFET) могут стать заменой обычным кремниевым транзисторам. Есть вероятность создать на их основе компьютеры нового поколения. В частности, у таких процессоров в 10 раз вырастет энергоэффективность и увеличится вычислительная мощь. Однако, есть и недостатки. Пока в промышленном производстве у этих чипов слишком большое количество дефектов, поэтому они не готовы для массового распространения.

Разработанная в MIT технология уменьшает количество таких дефектов и даёт функциональный контроль над процессом производства транзисторов. Создатели показали 16-разрядный микропроцессор, где количество транзисторов CNFET превышает 14 тысяч. Он выполняет те же действия, что и обычные процессоры. Описание разработки занимает 70 страниц.

Процессор использует архитектуру RISC-V, выполняя все заданные инструкции, и видоизменённый вариант программы «Hello, World!». Вместо этой простой фразы он сумел вывести на экран «Привет, мир! Я RV16XNano, сделан из транзисторов с углеродными нанотрубками».


Профессор Макс Шулакер утверждает, что в данный момент это самый передовой чип на основе нанотехнологий с большой вычислительной мощью и экономичным расходом энергии. Поскольку предел кремниевых процессоров близок, углеродные нанотрубки должны помочь превзойти этот предел.

Кремниевая фотоника спотыкается на последнем метре

Мы уже проложили оптику до дома, но проложить её до процессора пока проблематично

Если вам кажется, что сегодня мы находимся на пороге технологической революции, представьте, каково было в середине 1980-х. Кремниевые чипы использовали транзисторы с характерным размером, измеряемым микронами. Оптоволоконные системы с огромной скоростью перемещали триллионы битов по всему миру. Казалось, всё возможно – стоит только скомбинировать цифровую кремниевую логику, оптоэлектронику и передачу данных по оптоволокну.

Инженеры представляли себе, как все эти прорывные технологии продолжат развиваться и сойдутся в точке, в которой фотоника сливается с электроникой и постепенно заменяет её. Фотоника позволяла бы перемещать биты не только между странами, но и внутри дата-центров, и даже внутри компьютеров. Оптоволокно перемещало бы данные от чипа к чипу – так они думали. И даже сами чипы были бы фотонными – многие считали, что невероятно быстрые логические чипы когда-нибудь станут работать с использованием фотонов вместо электронов.

Естественно, до этого не дошло. Компании и правительства вбухали сотни миллионов долларов в разработку новых фотонных компонентов и систем, объединяющих стойки компьютерных серверов в дата-центрах с использованием оптоволокна. И сегодня подобные фотонные устройства действительно соединяют стойки во многих дата-центрах. Но на этом фотоны и останавливаются. Внутри стойки отдельные сервера соединяются друг с другом при помощи недорогих медных проводов и высокоскоростной электроники. И, естественно, на самих платах размещаются металлические проводники, всю дорогу вплоть до процессора.

Попытки запихнуть технологию в сами сервера, напрямую скармливать оптоволокно процессорам, основывались на экономическом фундаменте. Действительно, существует рынок оптических трансиверов для Ethernet с объёмом почти $4 млрд в год, который должен вырасти до $4,5 млрд и 50 млн компонентов к 2020 году – так утверждает исследующая рынки компания LightCounting. Но фотоника так и не прошла эти последние несколько метров, разделяющие компьютерную стойку в дата-центре и процессор.

Тем не менее, громадный потенциал этой технологии продолжал поддерживать мечту. Пока технические проблемы остаются существенными. Но теперь, наконец, новые идеи по поводу схем дата-центров предлагают осуществимые способы организации фотонной революции, которая может помочь сдержать прилив больших данных.

Внутри фотонного модуля

Каждый раз, выходя в веб, смотря цифровое ТВ или выполняя практически любое действие в сегодняшнем цифровом мире, вы используете данные, прошедшие через оптические модули-трансиверы. Из задача – преобразовывать сигнал между оптическим и цифровым видами. Эти устройства живут на каждом конце оптического оптоволокна, гоняющего данные внутри дата-центра любого крупного облачного сервиса или соцсети. Устройства включаются в коммутатор, расположенный сверху серверной стойки, и превращают оптические сигналы в электрические, чтобы те затем дошли до нескольких серверов в этой стойке. Трансиверы также преобразовывают данные от этих серверов в оптические сигналы для передачи их к другим стойкам или через целую сеть свитчей в интернет.

Каждый оптический модуль содержит три основных компоненты: передатчик с одним или несколькими оптическими модуляторами, приёмник с одним или несколькими фотодиодами и КМОП-чипы, кодирующие и декодирующие данные. Обычный кремний очень плохо излучает свет, поэтому фотоны порождает лазер, отделённый от чипов (хотя он может размещаться в одном с ними корпусе). Лазер не представляет биты путём включения и выключения – он включён всё время, а биты кодируются в луче его света при помощи оптического модулятора.

Этот модулятор, сердце передатчика, может быть разных видов. Особенно удачный и простой носит название модулятора Маха-Цендера. В нём узкий кремниевый волновод направляет свет лазера. Волновод разветвляется на два, а через несколько миллиметров они снова сходятся. В обычной ситуации такая развилка и соединение никак не повлияли бы на световой выход, поскольку оба рукава волновода имеют одинаковую длину. Соединяясь обратно, световые волны остаются в фазе друг с другом. Однако, если подать на одну ветвь электрическое напряжение, это изменит её коэффициент преломления, что замедлит или ускорит световую волну. В результате после встречи двух волн они деструктивным образом интерферируют друг с другом, подавляя сигнал. Поэтому, варьируя напряжение на ответвлении, мы используем электрический сигнал для модуляции оптического.

Ресивер устроен проще: это просто фотодиод и поддерживающие его контуры. Свет, пройдя по оптоволокну, достигает германиевого или кремний-германиевого фотодиода ресивера, который выдаёт ток – обычно каждый световой импульс преобразуется в напряжение.

Мастер Йода рекомендует:  Как будет выглядеть функция My People в Windows 10 Redstone 3 видеообзор от инсайдеров

Модулятор и ресивер обслуживаются контурами, занимающимися усилением, обработкой пакетов, коррекцией ошибок, буферизацией и другими задачами, которые необходимо решить, чтобы удовлетворить стандарту Gigabit Ethernet для оптоволокна. Сколько задач выполняется на том же чипе или хотя бы в том же корпусе, что заведует фотоникой – зависит от производителя, но большая часть электронной логики отделена от фотоники.

Фотоника никогда не сможет передавать данные между разными частями кремниевого чипа. Круговой осциллятор оптического переключателя выполняет ту же функцию, что и отдельный транзистор, однако занимает в 10 000 раз большую площадь.

Появляется всё больше кремниевых интегральных схем, в которых есть оптические компоненты, и это может заставить вас подумать, что интеграция фотоники в процессор была неизбежной. И некоторое время так и считалось.

Однако растущее несоответствие между быстрым уменьшением размеров чипов с электронной логикой и неспособностью фотоники угнаться за ними, было недооценено или даже игнорировалось. Сегодня транзисторы имеют характерные размеры в несколько нанометров. У 7 нм технологии КМОП на каждом квадратном микрометре можно разместить более сотни логических транзисторов общего назначения. И это мы ещё не упоминаем лабиринт сложных медных проводов над ними. Кроме наличия на каждом чипе миллиардов транзисторов, на нём присутствует ещё десяток уровней металлических соединений, связывающих эти транзисторы в регистры, умножители, арифметико-логические устройства и более сложные конструкции, из которых состоят ядра процессоров и другие необходимые схемы.

Проблема в том, что типичный оптический компонент, например, модулятор, невозможно сделать ощутимо меньше размера длины волны света, который он переносит – что ограничивает его минимальную ширину 1 микрометром. Никакой закон Мура этого ограничения не преодолеет. Это не вопрос использования всё более и более продвинутых технологий литографии. Просто электроны – длина волны которых составляет несколько нанометров – тощие, а фотоны – толстые.

Но не могут ли производители просто интегрировать модулятор и смириться с тем, что на чипе будет меньше транзисторов? Ведь там их и так уже размещаются миллиарды? Не могут. Из-за огромного количества системных функций, которые способен выполнять каждый квадратный микрометр кремниевого электронного чипа, будет очень дорого заменять даже не очень много транзисторов на хуже работающие компоненты типа оптических.

Простой подсчёт. Допустим, на квадратном микрометре располагается в среднем 100 транзисторов. Тогда оптический модулятор, занимающий площадь 10 мкм на 10 мкм заменяет контур, состоящий из 10 000 транзисторов! Вспомните, что обычный оптический модулятор работает как единственный переключатель, который включает и выключает свет. Но каждый транзистор сам может работать, как переключатель. Поэтому, грубо говоря, стоимость включения этой примитивной функции в схему составляет 10 000:1, поскольку на каждый оптический модулятор приходится 10 000 электронных переключателей, которыми может воспользоваться разработчик схемы. Никакой производитель не примет такой большой стоимости, даже в обмен на ощутимое увеличение скорости и эффективности, которое можно было бы получить от интеграции модуляторов прямо в процессор.

У идеи замены электроники на чипах фотоникой есть и другие недостатки. К примеру, на чипе выполняются критически важные задачи, вроде работы с памятью, для которых у оптики нет возможностей. Фотоны просто несовместимы с базовыми функциями работы компьютерного чипа. А в тех случаях, когда это не так, не имеет смысла устраивать соревнование между оптическими и электронными компонентами на одном и том же чипе.

Схема работы дата-центра.
Сегодня (слева) фотоника передаёт данные по многоярусной сети. Связь с интернетом находится на верхнем (основном) уровне. Коммутатор передаёт данные по оптоволокну к верхним переключателям стоек.
Завтра (справа) фотоника сможет изменить архитектуру дата-центров. Архитектура масштаба стоек могла бы сделать дата-центры более гибкими, физически отделив компьютеры от памяти и связав эти ресурсы по оптической сети.

Но это не означает, что оптика не сможет приблизиться к процессорам, памяти и другим ключевым чипам. Сегодня рынок оптической связи в дата-центрах вращается вокруг свитчей «наверху стоек» (top-of-rack, TOR), в которые включаются оптические модули. Наверху двухметровых стоек, в которых установлены серверы, память и другие ресурсы, оптоволокно связывает TOR-ы вместе посредством отдельной прослойки из свитчей. А они соединены с другим набором свитчей, формирующим выход дата-центра в интернет.

Панель типичного TOR, куда воткнуты трансиверы, даёт представление о перемещении данных. Каждый TOR соединяется с одним трансивером, а тот, в свою очередь, соединяется с двумя оптическими кабелями (один на передачу, второй на приём). В TOR высотой 45 мм можно воткнуть 32 модуля, каждый из которых способен передавать данные со скоростью 40 Гбит/с в обоих направлениях, в результате чего между двумя стойками можно передавать данные со скоростью 2,56 Тбит/с.


Однако в рамках стоек и внутри серверов данные до сих пор текут по медным проводам. А это плохо, поскольку они становятся препятствием на пути к созданию более быстрых и энергоэффективных систем. Оптические решения последнего метра (или пары метров) – подводки оптики к серверу или даже непосредственно к процессору – представляют, вероятно, наилучшую возможность создать огромный рынок оптических компонентов. Но до той поры необходимо преодолеть серьёзные препятствия как в области цен, так и в области быстродействия.

Схемы под названием «волокно до процессора» не новы. Прошлое даёт нам немало уроков по поводу их стоимости, надёжности, энергоэффективности и ширины канала. Примерно 15 лет назад я участвовал в разработке и создании экспериментального трансивера, демонстрировавшего весьма высокую пропускную способность. Демонстрация связывала кабель из 12 оптических жил с процессором. Каждая жила передавала цифровые сигналы, генерируемые отдельно четырьмя поверхностно-излучающими лазерами с вертикальным резонатором (VCSEL). Это лазерный диод, излучающий свет с поверхности чипа, причём свет имеет большую плотность, чем у обычных лазерных диодов. Четыре VCSEL кодировали биты путём включения и выключения света, и каждый из них работал на своей частоте в одной и той же жил, что вчетверо повышало её пропускную способность благодаря грубому спектральному уплотнению каналов. Поэтому, если каждый VCSEL выдавал поток данных в 25 Гбит/с, то общая пропускная способность системы достигала 1,2 Тбит/с. Сегодня индустриальным стандартом расстояния между соседними жилами в 12-жильном кабеле является 0,25 мм, что даёт пропускную плотность в 0,4 Тбит/с/мм. Иначе говоря, за 100 секунд каждый миллиметр может обработать столько данных, сколько веб-архив Библиотеки конгресса США сохраняет за месяц.

Сегодня для передачи данных из оптики к процессору требуются ещё большие скорости, но начало было неплохим. Почему же эту технологию не приняли? Частично потому, что эта система была как недостаточно надёжной, так и непрактичной. В то время было очень сложно изготовить 48 VCSEL для передатчика и гарантировать отсутствие сбоев за время его жизни. Важным уроком стало то, что один лазер со многими модуляторами можно сделать гораздо более надёжным, чем 48 лазеров.

Сегодня надёжность VCSEL повысилась настолько, что трансиверы, работающие по этой технологии, можно использовать в решениях для небольших расстояний в дата-центрах. Оптические жилы можно заменить многожильной оптикой, переносящей столько же данных, перенаправляя их в разные нитки, находящиеся внутри основного волокна. Также недавно появилась возможность реализации более сложных стандартов передачи цифровых данных – например, PAM4, увеличивающий скорость передачи данных, используя не две, а четыре величины мощности света. Ведутся исследования по направлению увеличения плотности полосы пропускания в системах передачи данных из оптики к процессору – например программа Shine от MIT позволяет достигать в 17 раз большей плотности, чем было доступно нам 15 лет назад.

Всё это довольно существенные прорывы, но и взятых вместе, их будет недостаточно для того, чтобы позволить фотонике совершить следующий шаг по направлению к процессору. Однако, я всё же считаю, что такой шаг возможен – поскольку сейчас как раз набирает силу движение по изменению системной архитектуры дата-центров.

Сегодня процессоры, память и система хранения собираются в т.н. блейд-серверах, особые корпуса которых располагаются в стойках. Но это делать необязательно. Вместо того, чтобы располагать память на чипах в сервере, её можно разместить отдельно – на этой же, или даже на другой стойке. Считается, что такая архитектура масштаба стоек (rack-scale architecture, RSA) может более эффективно использовать вычислительные ресурсы, особенно для соцсетей вроде Facebook, где количество вычислений и памяти, необходимой для решения задач, растёт со временем. Также это упрощает задачу обслуживания и замены оборудования.

Почему же такая конфигурация поможет фотонике проникнуть глубже? Потому что именно такая простота смены конфигурации и динамическое размещение ресурсов можно позволить себе благодаря новому поколению эффективных, недорогих оптических свитчей, передающих по нескольку терабит в секунду.

Технология подключения оптики напрямую к процессору существует уже более 10 лет

Главным препятствием этому изменению дата-центров служит стоимость компонентов и их производства. У кремниевой фотоники уже есть одно преимущество в стоимости – она может воспользоваться существующими производственными мощностями, огромной инфраструктурой производства чипов и её надёжностью. Тем не менее, кремний и свет сочетаются неидеально: кроме мешающей делу неэффективности в излучении света, кремниевые компоненты страдают от больших световых потерь. Типичный кремниевый оптический трансивер показывает оптические потери в 10 дб (90%). Такая неэффективность не имеет значения для коротких соединений между свитчами TOR, поскольку пока что потенциальное преимущество кремния в стоимости перевешивает его недостатки.

Важной частью стоимости кремниевого оптического модуля является такая скромная, но критически важная деталь, как оптическое соединение. Это и физическое соединение оптического волокна и приёмника или передатчика, и связь между волокнами. Каждый год приходится изготавливать сотни миллионов коннекторов оптика-оптика с высочайшей точностью. Чтобы представить себе эту точность, отметьте, что диаметр человеческого волоса обычно лишь немного меньше диаметра одной нитки волокна кварцевого стекла в 125 мкм, используемого для соединения оптических кабелей. Точность, с которой необходимо выравнивать волокно в коннекторе составляет порядка 100 нм – тысячная доля толщины человеческого волоса – или сигнал будет слишком сильно затухать. Необходимо разработать инновационные методы производства коннекторов для двух кабелей и для соединения кабеля с трансивером, чтобы соответствовать растущим клиентским запросам к высокой точности и низкой стоимости. Однако существует очень мало производственных технологий, делающих производство достаточно недорогим.

Один из способов уменьшить стоимость – удешевить чипы оптического модуля. Тут может помочь технология реализации систем на уровне целой подложки (wafer-scale integration, WSI). По этой технологии фотонику располагают на одной кремниевой подложке, электронику – на другой, а потом подложки соединяют (лазер, изготавливаемый не из кремния, а из другого полупроводника, остаётся отдельным). Такой подход даёт экономию на стоимости производства, поскольку позволяет проводить параллельное производство и сборку.

Ещё один фактор уменьшения стоимости – это, естественно, объём производства. Предположим, что весь рынок оптического гигабитного Ethernet составляет 50 млн трансиверов в год, а каждый чип оптического трансивера занимает 25 мм кв. Предполагая, что на фабрике для их производства используются подложки диаметром 200 мм, и что затем используется 100% произведённой продукции, для этого рынка требуется 42 000 подложек.

Это может показаться большим числом, но эта цифра на самом деле описывает всего две недели работы на типичной фабрике. В реальности любой производитель трансиверов может захватить 25% рынка за несколько дней производства. Должен быть способ увеличить объёмы, если мы хотим реально уменьшить стоимость. Единственный вариант сделать это – понять, как использовать фотонику ниже свитча TOR, вплоть до процессоров в серверах.

Если кремниевая фотоника когда-нибудь проникнет туда, где трудятся все электронные системы, для этого должны будут появиться убедительные технические и экономические причины. Компоненты должны будут решать все важные проблемы и серьёзно улучшать систему в целом. Они должны быть маленькими, энергетически эффективными и чрезвычайно надёжными, а также должны крайне быстро передавать данные.

Сегодня решения, удовлетворяющего всем этим требованиям, не существует, поэтому электроника будет развиваться и дальше без интеграции с оптикой. Без серьёзных прорывов толстые фотоны и дальше не попадут в те места системы, где доминируют тощие электроны. Однако, если оптические компоненты можно будет надёжно производить в очень больших объёмах по очень низкой цене, мечта возрастом в несколько десятилетий о подключении оптики к процессору и связанным с ним архитектурам может стать реальностью.

За последние 15 лет мы достигли серьёзного прогресса. Мы лучше разбираемся в оптических технологиях и в том, где их можно и где нельзя применять в дата-центрах. Выработан устойчивый многомиллиардный коммерческий рынок для оптических компонентов. Оптические коннекторы стали критически важной частью глобальной информационной структуры. Однако интеграция большого количества оптических компонентов в самое сердце электронных систем остаётся непрактичным. Но будет ли оно оставаться таким и дальше? Думаю, нет.

Оптический чип для ИИ оказался в тысячу раз эффективнее кремниевого

Исследователи из Массачусетского технологического института создали процессор для глубокого обучения, работающий на оптическом чипе. Такой чип требует в тысячу раз меньше энергии, чем традиционные CPU и GPU, и лучше справляется с некоторыми задачами.

По словам профессора Марина Солжасика, одного из двенадцати авторов исследования, опубликованного в научном журнале Nature Photonics, многие ученые раньше уже заявляли о создании оптических компьютеров, однако они «оказывались непригодными на практике». Новая система, которую разработали исследователи, «применима для некоторых задач глубокого обучения», пишет издание MIT News.

Проблема, которую решает новое устройство, которое ученые назвали «программируемым нанофотонным процессором», — низкая эффективность традиционных компьютерных чипов (CPU и GPU) в выполнении некоторых задач при обучении нейронных сетей, например, умножении матриц. Разработанный учеными оптический чип способен мгновенно производить такие вычисления при практически нулевом расходовании энергии: в основе технологии лежит множество световых лучей, взаимодействующих между собой таким образом, что их волны создают определенные интерферограммы, которые передают результат проводимой операции.

«Естественное преимущество использования света для операций матричного умножения играет большую роль в ускорении вычислений и экономии энергии, потому что интенсивные матричные умножения являются наиболее энергоемкой и затратной по времени частью алгоритмов искусственного интеллекта», — говорит профессор Йихен Шен и один из автор исследования.

Ранее кремниевый фотонный микрочип также создали ученые из Принстонского университета. Скорость вычислений такого чипа при решении дифференциальных уравнений в три раза превышает вычислительную мощность традиционных компьютерных чипов.

Понравилась статья? Поделитесь с друзьями на Facebook:

Добавить комментарий