Фотоника — сложная и загадочная научная дисциплина. Появившись как еще один подраздел оптики, она «проросла» сразу в несколько смежных сфер: в микроэлектронику, квантовую электронику, коммуникации и материаловедение. С результатами работы фотоники каждый из нас сталкивается каждый день, даже и не подозревая об этом, но нынешние проявления — лишь малая толика ее технологического потенциала, который, по ожиданиям учёных-оптимистов, вот-вот раскроется и изменит мир. Прежде всего — мир компьютеров. Хотя и проблемы здесь тоже имеются. Выясняем, что такое фотоника, как она работает и в какую сторону идёт.

Термин «фотоника» вошел в широкий обиход в 1960-х годах с изобретением лазера. Если совсем просто, то фотоника — это дисциплина о том, как создаётся свет, как он ведёт себя в различных средах и что с его помощью можно делать. Похоже на оптику, но разница в том, что фотоника имеет дело со светом не на макроуровне, а на уровне частиц и волн — то есть квантовом или около.

С фотоникой любой из нас сталкивается каждый день. Помимо светодиодов и лазеров, благодаря ей появился высокоскоростной оптоволоконный интернет и многие другие технологии. 

Скорее всего, фотоника прямо сейчас измеряет ваш пульс, если вы носите умные часы: зелёный диод в их конструкции излучает свет на такой длине волны, которая поглощается молекулами гемоглобина в крови. Специальный датчик измеряет, сколько света нужной волны вернулось после столкновения с вашими тканями, и делает выводы о биологических параметрах, таких как пульс и насыщенность крови кислородом.

Однако фотоника способна на большее. Настоящий прорыв случится, когда удастся создать устройство, способное заменить привычный электронный компьютер. 

Атомный предел

Сейчас производительность электроники увеличивается за счёт миниатюризации транзисторов: чем больше их умещается на единице площади процессора, тем больше вычислений процессор сможет произвести. Кроме того, совершенствуются системы теплоотведения и энергопотребления, однако уже сравнительно скоро миниатюризация упрётся в физические ограничения: размер транзисторов вплотную приблизится к размерам атомов кремния (0,2–0,3 нм), из которых они строятся, и у инженеров просто не будет возможности создавать ещё более миниатюрные компоненты. 

Из грядущего кризиса нужно искать выход, но квантовые компьютеры — это не вариант. Они позволят совершать принципиально новые типы вычислений и сделают реальным мгновенное решение задач (например, взлом шифров), на которые у обычных компьютеров ушли бы тысячелетия. Однако квантовые компьютеры используют принципиально иную логику и не подходят для традиционных бинарных вычислений, на базе которых построен весь современный ИТ-мир, а вот гипотетические фотонные вычислители — очень даже.

Фотонный компьютер на замену кремниевому?

В течение десятилетий фотоны демонстрировали перспективы более высокой пропускной способности, чем электроны, используемые в обычных компьютерах.

Под пропускной способностью понимается метрика, показывающая, сколько единиц (в данном случае электронов), способно пройти через канал (проводник). В сравнении с электронами фотоны движутся значительно быстрее и не создают потерь сигнала, равно как и нагрева из-за сопротивления материала проводника, характерных для обычной электроники.

Фотонные устройства произвели революцию в сфере передачи данных: когда информацию научились передавать по оптоволоконным линиям с помощью света, а не с помощью электричества по медным проводам, стал возможен Интернет — в том виде, в каком мы его знаем: с многочисленными социальными сетями, потоковыми видеотрансляциями в высоком разрешении и тому подобным. 

Идея, что похожий скачок в скорости движения данных можно организовать не просто между разными компьютерами, но внутри каждого из них, прямо на интегральной схеме, — и есть главная «морковка», за которой бегут учёные, работающие над проектами фотонных вычислений. Фотонику часто называют аналогом электроники, поскольку ключевым элементом в ней является фотон, точно так же, как электроника базируется на поведении электронов.

Принципиально фотонные компьютеры мало отличаются от электронных. Для передачи информации в обычном компьютере используется электронный заряд, который обозначает единицу, если он достигает определенного порога, и ноль, если его значение ниже. В фотонном компьютере роль электрона берёт на себя фотон, а роль заряда — интенсивность, фаза или поляризация света. 

Казалось бы, проблема решена — бери и делай. Но, как обычно, не всё так просто.

Фотонная преграда 

Переход на фотонные вычисления давно случился бы, если бы не фундаментальная преграда. И как ни странно, дело опять в размерах. 

Типичные оптические компоненты, призванные заменить собой транзисторы (оптические модуляторы, например), тоже имеют строго определённые минимальные размеры. Их минимальная гипотетическая ширина составляет 1 микрометр, что соответствует длине волны света, которую они переносят. Длина волны электронов — значительно меньше, она составляет всего несколько нанометров. Фотонам элементарно нужно больше места, чтобы заменять в бинарных вычислениях электроны. На практике это означает, что одному модулятору нужно столько же площади процессора, сколько нескольким тысячам транзисторов.

При этом в структуре чипа присутствуют не только транзисторы, но и множество других микроскопических устройств, разработанных для выполнения различных математических операций (соединители, арифметико-логические устройства, умножители и др.). Полный переход на фотонные технологии потребовал бы разработки «световой» альтернативы и для этих компонентов, что только увеличило бы размеры финального изделия.  

Выходит, процессор, построенный исключительно на фотонных технологиях, получится либо слишком большим, либо недостаточно производительным в сравнении со своим кремниевым аналогом. Тут либо мириться с тем, что компьютеры вновь будут занимать этаж здания, либо выдумывать принципиально новый тип вычислений, который позволил бы «повесить» на один оптический элемент столько же математических операций, сколько делают несколько тысяч кремниевых. Без волшебства тут не обойтись. 

Дело закрыто? Не закрыто.   

На любой печатной плате компьютера присутствует несколько ключевых компонентов, участвующих в вычислении: процессор, оперативная память, графический ускоритель. 

Обмен данными между ними в классическом сценарии происходит по металлическим проводящим дорожкам с соответствующими недостатками в виде скорости и тепловой нагрузки. Коль скоро с помощью фотонов данные можно передавать гораздо быстрее, чем с помощью электронов, то почему бы не использовать это преимущество в коммуникациях между компонентами компьютера?

Кремниевая фотоника

Принцип давно используется в привычных устройствах: данные из Интернета по оптическому волокну приходят в виде света, а в самих вычислительных компонентах существуют уже в виде электронных сигналов — благодаря оптическим трансиверам, подключаемым устройствам, преобразующим оптические данные в электронные и наоборот. Но с ними есть одна проблема: временная задержка, которая уходит на то, чтобы трансформировать свет в данные, а потом передать их по медным проводам и проводящим дорожкам к чипам. Это запаздывание негативно влияет на скорость и энергосбережение. 

Проблему призвана решить кремниевая фотоника. Решение предполагает несколько этапов, и первый из них заключается в создании «гибридных» интегральных схем, в которых обычные интегральные схемы («царство» электронных сигналов и скоростных компактных вычислений) выполнены на единой подложке с фотонными интегральными схемами («царство» световых сигналов и скоростной передачи данных). За сам процесс вычислений в таких схемах отвечают кремниевые компоненты, а вот за коммуникации с внешними элементами — фотонные. 

Принципиально оба варианта на картинке выше мало отличаются от привычной схемы: «фотонная» часть всё ещё выполняет функцию трансформации электронных сигналов в световые и обратно, в то время как коммуникации между кремниевыми компонентами схемы осуществляются с помощью электронов. То есть результаты вычислений доставляются с помощью электронов на трансивер, а оттуда — уже в виде света — отправляются за пределы гибридной интегральной схемы. 

Разница заключается в том, что интеграция фотонных компонентов делает их физически ближе к кремниевым, что кардинально сокращает ту самую временную задержку. По данным Научно-исследовательского института промышленных технологий (Industrial Technology Research Institute) в Тайване, гибридная схема всё еще находится в стадии разработки, но ожидается, что её вычислительная мощность превзойдет существующую в 30 раз, а потенциальный объем пропускаемых данных — в 8 раз, при этом энергопотребление снизится аж на 50%.

Вторым этапом проекта станет создание схемы, где фотонная часть отвечает за преобразование сигналов не только между обычной интегральной схемой и внешними устройствами, но и между двумя ключевыми для производительности компонентами схемы: процессором и графическим чипом. На третьем этапе «фотонную» связь должны обрести все кремниевые вычислительные компоненты схемы. 

Хоть кремниевая фотоника всё ещё является экспериментальным решением, в него уже инвестируют такие компании, как TSMC, Intel, Nvidia и Apple — что говорит о безусловной перспективности подхода.  

А что там с волшебством?

Кремниевая фотоника предлагает компромисс: звание «главных вычислителей» остаётся за кремниевыми транзисторами, а фотоны получают почётную функцию невероятно быстрых гонцов — передатчиков информации. Но как же вычислительный потенциал? Неужели естественное ограничение на длину волны ставит крест на математической «карьере» фотонов? 

Исследователи из Калифорнийского технологического института предполагают, что нет. Они создали фотонный компьютер, использующий в качестве модели вычислений клеточные автоматы. 

Клеточные автоматы — это оригинальная модель математических вычислений, используемая в том числе в криптографии и для моделирования физических и биологических процессов. Модель состоит из клеток, каждая из которых «живёт» (1) или умирает (0) в зависимости от установленных в клеточной решётке правил.

Кроме того, на идее клеточных автоматов могут быть построены процессоры — в том числе такие, которые не требуют проводников для передачи информации. А ведь именно необходимость воссоздавать архитектуру фон Неймана с её сложной системой элементов для передачи и хранения данных в памяти компьютера и является одной из самых трудных задач для инженерии фотонных процессоров. Помимо уже упомянутого «размерного» ограничения, создатели фотонных вычислителей сталкиваются с трудностями, когда речь заходит о сохранении того или иного состояния фотона (обеспечение работы памяти компьютера) либо изменения этого состояния. 

Процессор на основе клеточных автоматов может использовать для вычислений любой способ передачи информации, а не только электроны. Как выяснили исследователи, если в качестве такого способа выбрать фотоны, то вычислять с помощью модели клеточных автоматов можно чрезвычайно быстро. При этом не потребуется прибегать к использованию традиционных для машин фон Неймана логических аппаратных элементов вроде ворот, переключателей и устройств памяти, с которыми у фотонов проблемы. 

В экспериментальном компьютере клетки автомата создаются ультракороткими импульсами света, они могут возникать с тактовой частотой втрое более высокой, чем у обычного процессора. В сравнении с классическим кремниевым процессором фотонный компьютер на клеточных автоматах по определению работает быстрее: в то время как обычный процессор в состоянии лишь воспроизвести симуляцию клеточных автоматов на базе ПО, разработанный в Калифорнии фотонный компьютер, по сути, сам является таким автоматом. Несколько подобных компьютеров могут работать в параллели, оперируя только светом и не «опускаясь» на уровень электронов и проводников. То есть вычисления здесь реализуются исключительно с помощью света — со всеми вытекающими преимуществами. 

При этом модель клеточных автоматов является Тьюринг-полной, следовательно, на её основе в теории можно производить любые вычисления. А значит, фотонные компьютеры, использующие эту модель, имеют шансы стать альтернативой кремниевым вычислителям. Просто вычислять они будут по-другому.

Фотоника на максималках

Открытия в области фотоники уже давно и незаметно производят революции в науке, промышленности и быту: лазерные системы связи способны в считанные секунды передавать огромные массивы информации, лидары позволяют беспилотным автомобилям ориентироваться в пространстве, а в медицине применяются методы неинвазивной диагностики, которые дают высокодетализированные трёхмерные изображения мельчайших структур организма. Прежде такие можно было разве что нарисовать в 3D-редакторе. При помощи тонких манипуляций со светом фотоника дала миру высокую скорость связи, невиданную точность и подробность измерений. Не хватает одного — если не «сверх», то хотя бы просто «световой» скорости вычислений. Вполне возможно, эта революция тоже не за горами.