Фотонный прорыв. Как свет ляжет в основу компьютеров будущего

В конце декабря, когда все СМИ уже выложили свои «10 открытий года» и «Пять изобретений, которыми ученые нас удивили», научный журнал Nature напечатал исследование, которое - в силу на редкость неудачного выбора даты - во все эти подборки не попало. Физики и электронщики из MIT, Беркли и университета Колорадо в Боулдере общими усилиями сделали первый работающий образец «фотонного процессора», где терабайты информации гуляют между чипами в форме света. Плотность этих потоков - 300 гигабит в секунду на каждый квадратный миллиметр процессора: для наглядности можно представить, как через сечение спички за секунду прокачивается три сезона «Игр престолов», по 10 серий в каждом, в DVD-качестве.

Нельзя сказать, что это чисто академическое упражнение университетских ученых - соорудить как можно более экзотический гаджет, написать о нем научную статью и забыть. Большие корпорации относятся к этой экзотике очень даже всерьез. В мае свой полуфабрикат фотонного чипа (не процессор, а просто приемник-передатчик) показала IBM, а Hewlett Packard еще несколько лет назад пообещала выпустить к 2017 году фотонный процессор для суперкомпьютеров HP Corona.

1940-1970-е годы

Фото: wikipedia.org

От электромеханических реле к первым микропроцессорам. Восьмибитная архитектура

Революцией можно считать 1974 г. - выпуск i8080 (на фото слева). С этого момента начинается отсчет современных процессоров. Этот процессор мог адресовать 64 Кбайта и работал на тактовой частоте 2 МГц. Он разошелся миллионными тиражами и заложил основу во всю дальнейшую архитектуру процессоров.

Цель этих технологий не в том, чтобы настольный компьютер у кровати еще быстрее показывал нам кино и фейсбук (то есть и это тоже, но не в первую очередь). Сильно выиграть могли бы суперкомпьютеры с сотнями и тысячами процессоров, которые распараллеливают сложные задачи и которым критически важно быстро обмениваться данными. Пример - искусственный интеллект Google, который недавно обыграл человека в го: та же самая технология Deep Learning, основанная на нейронных сетях, годится, чтобы распознавать образы на фотографиях или ставить медицинские диагнозы.

Первая специализированная система для Deep Learning, которую начала продавать NVidia в этом году по 129 тысяч долларов - это много тысяч процессорных ядер, разделенных на блоки с общим доступом к памяти. Если бы те же самые ядра обменивались информацией при помощи света - система работала бы еще на порядки быстрее нынешних 170 терафлопс.

Слово «фотоника» придумали по аналогии с «электроникой». Фотоны, частицы света, во многих смыслах лучше приспособлены для передачи сигналов, чем электроны. «Сейчас информация внутри микросхем передается электрическими сигналами по медным дорожкам. Это все равно, что передавать ее по телефонному кабелю, только внутри чипа. Но вот мы знаем, что все современные трансатлантические кабели - из оптоволокна. С чем это связано? С тем, что пропускная способность оптического соединения на пять порядков выше, чем у электрических проводов», - рассказывает Дмитрий Федянин из лаборатории нанооптики и плазмоники московского Физтеха.

1976-1985-е годы

Фото: mac-history.net

16-битная эпоха

Среди производителей процессоров определились два лидера: Intel и Motorola. В то же время IBM и Apple начали борьбу в сегменте готовых компьютеров.

Процессор Motorola 68000 применялся во многих вычислительных машинах того времени, однако многим он запомнился, потому что использовался в первых персональных компьютерах Apple - моделях Lisa и Macintosh.

Свет не то чтобы быстрее электричества - оба типа сигналов распространяются со скоростью света (или, точнее, почти со скоростью света). В чем тогда выигрыш? Федянин предлагает такое сравнение: «Электрические соединения - это как поезда со скоростью 60 километров в час, куда помещается только один пассажир. Он заходит в вагон, поезд трогается. Что происходит в случае фотоники? Мы можем отправить поезд, вместимостью в сто тысяч пассажиров - пусть он и едет с той же скоростью 60 километров в час».

Для чипов есть свой аналог оптоволокна - фотонный волновод: обычно это брусок из кремния шириной в 600 нанометров и высотой в 300. Правда, если обычный оптоволоконный кабель удерживает свет внутри, то тут фотоны катятся по волноводу, как бусины по нитке: «Фотон не умещается внутри - он вылезает из этого кремниевого сердечника и имеет характерный размер порядка микрометра в сечении», - говорит Федянин.

1986-1995-e годы

Фото: flickr.com

32-битная архитектура

К концу 80-х годов Intel успела выпустить еще один процессор - 486DX. Он стал первым процессором со встроенным математическим сопроцессором и первым, преодолевшим планку в 1 миллион транзисторов - число транзисторов в нем составило 1.2 млн. Новый процессор нашел применение не только в ПК, но и в серверах.

Электроника долго шла к тому, чтобы исчерпать возможности по миниатюризации процессоров и памяти - в 90-е была 350-нанометровая технология, потом 180-нанометровая, и так до 22 нанометров в 2008 году и 10 нанометров в 2015-м: больше особого прогресса не предвидится, но зато он шел без перерыва целых 40 лет подряд. А фотоника уткнулась в предел возможностей сразу: 600-нанометровый волновод, где фотону уже тесно, нельзя сделать сильно меньше: «Фотон занимает в пространстве какой-то объем с характерными размерами порядка длины волны света - это вытекает из квантового принципа неопределенности Гейзенберга. И если мы хотим дальше развивать фотонные устройства, то впереди такой вот фундаментальный барьер».

Главный для плазмоники металл - это золото, на поверхности которого спрессованные фотоны ведут себя лучше всего.

Как быть? На помощь приходит еще одна «оника» - плазмоника (которой и занимается группа Федянина в МФТИ). Центральную для этой науки идею можно изложить так: если Винни-Пух не пролезает в слишком узкую нору, то ему полезно похудеть. Миниатюрным волноводам нужны уменьшенные фотоны: «Мы преобразуем объемные волны света, фотоны, в «плоские» волны на поверхности металла - поверхностные плазмон-поляритоны. Переходим из привычной трехмерной оптики в двумерную. А в двумерной оптике свои законы, которые позволяют сжать свет до размеров, значительно меньших, чем длина волны света. В 10, 20, 30 раз».

Конец 1990-х

Фото: wikipedia.org

RISC-архитектура

В процессорах с архитектурой RISC быстродействие увеличивается за счёт упрощения инструкций. Первые RISC-процессоры даже не имели инструкций умножения и деления. Это также облегчает повышение тактовой частоты и делает более эффективной суперскалярность.

RISC процессоры заняли свою специализированную нишу, но в настольных системах все равно продолжали использоваться кристаллы с архитектурой x86.

Главный для плазмоники материал - это золото, на поверхности которого спрессованные фотоны ведут себя лучше всего. И цена золота может стать еще одним барьером для того, чтобы такие чипы, даже если у физиков все получится, начали массово штамповать и встраивать в 100-долларовые планшеты. Однако главная проблема кроется даже не в том, что золото дорого, а в том, что из него нельзя создать те самые наноразмерные плазмонные компоненты, призванные сжать свет. Золото - это благородный металл, не вступающий в химические реакции, на которых основаны все технологические процессы в промышленности. Поэтому штамповать золотые плазмонные компоненты просто не получится.

«Последние года четыре есть попытки найти какой-нибудь альтернативный материал. Вплоть до нитрида титана - это такое вещество, которым покрывают купола в храмах. Они, конечно, блестят, но на самом деле это не золото, а нитрид титана в 95 процентах случаев». Но фальшивое золото и с точки зрения плазмоники сильно уступает настоящему.

2000-е и современность

Фото: Michael Saechang @ flickr.com

Двухъядерные процессоры, Intel Core

Архитектура Intel Core изначально проектировалась под двухъядерность, поэтому для всех «голов» была предусмотрена общая кэш-память 2-го уровня. Такой подход обеспечивал большую скорость работы и меньшее энергопотребление. Положительно на производительности сказалась и улучшенная работа с подсистемой памяти.

В феврале этого года у группы Федянина вышла статья в журнале NanoPLetters, где золото предлагают заменить медью. Казалось бы, такая замена просто обязана прийти в голову в первые секунды знакомства с темой - мало того, что на меди основана вся электроника, это еще и близкий сосед золота по таблице Менделеева с похожим устройством атома. Почему тогда никто раньше до этого не догадался?

Дмитрий объясняет: «Все экспериментальные данные, начиная с 1980-х и заканчивая последними годами, говорили, что медь где-то в полтора-пять раз хуже, чем золото. Разброс большой, потому что у всех металл разный, все зависит от того, в каком технологическом процессе он получен. Нам пришлось прочесть вообще все, что человечество создало по теории оптических свойств плазмонных металлов. Мы немного обобщили теорию, разработанную главным образом в 1970-е. И по нашим теоретическим расчетам выходило, что медь может оказаться ничем не хуже золота. А потом мы потратили годы и миллионы рублей, чтобы осуществить эту идею - найти деньги, купить оборудование, разработать технологический процесс. Мы использовали испарение электронным пучком: разогнанный электрическим полем пучок электронов ударяется о металл и нагревает атомы на столько, что они получают возможность покинуть поверхность материала.

Затем эти атомы осаждаются на поверхности образца, формирую металлическую пленку - основу для будущих плазмонных компонентов. И, в общем-то, нам удалось создать такие тонкие поликристаллические пленки, которые по своим свойствам не уступают лучшим образцам золотых пленок и даже превосходят их».

Ближайшее будущее

Фото: Glenn Asakawa / colorado.edu

Оптоэлектронные микропроцессоры

Уже через несколько лет на рынке появятся микропроцессоры с несколькими тысячами ядер, которые будут на порядки быстрее современные процессоров благодаря использования света для передачи информации внутри чипа.

В пресс-релизе МФТИ это без лишней скромности называют «медной революцией» - намекая, очевидно, на «кремниевую революцию», которая последовала за изобретением транзистора и привела к компьютерному буму. Чтобы с плазмоникой этот фокус сработал, нужны, наверное, те же усилия, что и для превращения транзистора в реальные компьютерные процессоры. Это требует от ученых времени, а от инвесторов - денег, зато результат может быть таким же, как от вложений в стартап Integrated Electronics (сокращенное название - Intel) в 1968 году.

*Партнер статьи - спонсор отдельной публикации, подготовленной редакцией.