Новости

3 июля, 2023 16:08

Ученые приблизились к созданию фотонного компьютера

Источник: Известия
Российские ученые экспериментально подтвердили, что нанокристаллы фосфида галлия можно использовать для создания микросхем в фотонных компьютерах. Эти машины будут намного быстрее и энергоэффективнее по сравнению с электроникой, поэтому над их созданием бьются разработчики во всем мире. Работа выполнена в сотрудничестве с Алферовским университетом, ИТМО, ВШЭ и Ереванским государственным университетом и поддержана грантами Российского научного фонда, ее результаты опубликованы в журнале Small.
Научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ в лаборатории. Источник: пресс-служба МФТИ

Российские специалисты рассчитывают собрать первые действующие образцы микросхем на фотонах в ближайшие несколько лет. По словам экспертов, работа, выполненная учеными, наверняка найдет практическое применение, однако важно, чтобы достижения, полученные в лабораториях, можно было повторить при серийном производстве принципиально новых компьютеров.

Свет в деталях

Физики МФТИ нашли материал, который лучше всего подходит для создания оптических микросхем, работающих за счет передачи частиц света — фотонов. Они провели серию экспериментов, которые показали, что физические свойства нанокристаллов фосфида галлия (GaP) позволяют сделать из них простейшие элементы будущего фотонного компьютера.

Например, у GaP высокий коэффициент преломления. Это означает, что через наноразмерные кристаллы этого материала хорошо распространяется свет с небольшой длиной волны. Это позволяет делать из него максимально миниатюрные оптические компоненты. На основе полученных данных ученые рассчитали минимальную толщину кристалла для передачи светового сигнала того или иного цвета.

«Для того чтобы сделать компьютер, который будет работать на световых сигналах, необходимо создать оптические элементы малого размера, составляющие его микросхемы. То есть нам нужно уместить свет в очень маленькие элементы. Для этого нужен материал с высоким коэффициентом преломления и низкими оптическими потерями при передаче света. Фосфид галлия оказался в этом смысле одним из наиболее перспективных», — сказал заведующий лабораторией функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Алексей Большаков.
Все вычисления в современных компьютерах производятся за счет движения электронов по элементам микросхем, прежде всего — транзисторам. С развитием технологий транзисторы удавалось делать все меньше и меньше — вплоть до нескольких нанометров. Благодаря этому в одном компьютере можно разместить несколько миллиардов подобных устройств.

Однако, отмечают ученые, транзисторные технологии приблизились к своему пределу — делать их еще миниатюрнее не удастся, так как в их работу уже начинают вмешиваться квантовые эффекты. К тому же быстродействие электронных устройств ограничено скоростью движения электронов. Фотоны движутся значительно быстрее. Но главное их преимущество по сравнению с электроникой — малые потери энергии при распространении. Это определяет их низкое энергопотребление. По оценкам специалистов, оно может быть меньше на несколько порядков. По этой причине над воплощением идеи оптического компьютера бьются лучшие специалисты во всем мире.

Световые провода

Необходимой составляющей будущих микросхем фотонного компьютера станет волновод — то есть канал, по которому будет двигаться световой сигнал, переходя от одного логического элемента к другому. Эксперименты показали, что минимальная толщина такого «светового провода» из фосфида галлия составляет 108 нанометров, чего достаточно для создания первых экспериментальных образцов микросхем.


Фото: Global Look Press/Sebastian Gollnow

Также в своей работе ученые показали, что волноводы из GaP можно очень сильно изгибать и при этом они продолжают проводить свет. Благодаря этому из них можно делать более сложные элементы, как, например, разветвители, разделяющие или объединяющие потоки света.

«Простейший разветвитель — это два нитевидных кристалла, которые лежат рядом. В один из них мы направили пучок света. Оказалось, что световой сигнал распространился как вдоль волновода, в который мы его направили, так и в лежащий рядом, хотя механически они не связаны», — сказал Алексей Большаков.
Этот эффект позволит в будущем делать более сложные оптические элементы, которые будут фильтровать из потока света только его часть с какой-то определенной длиной волны (спектральное разделение), и создать световые логические элементы, которые придут на смену электронным транзисторам, пояснили в МФТИ.

В планах ученых разработать и миниатюрные источники света, которые будут соответствовать по размерам волноводам и разветвителям. Согласно их гипотезе, для этого можно использовать те же нитевидные нанокристаллы оксида галлия, если модифицировать их другими веществами, например, мышьяком. Первые простейшие микросхемы на новых принципах специалисты планируют получить в ближайшие несколько лет.

Как труба в водопроводе

«Важно, что авторы представили прототип оптической пары из двух GaP нанопроводов и реализовали спектральное разделение сигнала. Продемонстрированы пределы механической прочности, что необходимо для создания реальных логических схем на микро- и нановолноводах. Фактически показана работоспособность одного из ключевых узлов фотонных логических схем. Разработка обладает высоким практическим потенциалом для вычислительных систем следующего поколения», — сказал заведующий лабораторией перспективной солнечной энергетики НИТУ МИСИС Данила Саранин.

Прототипы солнечных фотомодулей. Источник: пресс-служба НИТУ МИСИС

Исследования по волноводам ведутся давно. Возможно, использование фосфида галлия действительно технологически оправдано, пояснил «Известиям» доцент Института СПИНТех НИУ МИЭТ Петр Федоров. Однако, по его словам, самое важное в микросхеме — это не проводящий элемент, а логический — транзистор. Волновод играет ту же роль, что и труба в водопроводе. От изменения ее размера принципиально во всей системе ничего не поменяется.

«Однако возможность фильтровать свет с помощью нанокристаллов фосфида галлия, которая открывает новые перспективы в создании именно логических компонентов микросхемы, — это отличный результат научной работы. Но главный вопрос, который встает после лабораторных успехов: можно ли получить такие же результаты хотя бы при мелкосерийном производстве. Если фосфид галлия обеспечивает это, то его будут применять на практике», — сказал Петр Федоров.
12 апреля, 2024
Упрощен синтез электродов для суперконденсаторов электромобилей
Ученые в России разработали новый подход, позволяющий значительно упростить и ускорить процесс син...
11 апреля, 2024
Гомологический подход поможет подбирать материалы для топливных элементов
Ученые впервые применили гомологический подход, чтобы описать механизм кислородного обмена в одном и...