Научные и прикладные исследования в сфере нано- материалов и технологий ( НМ и НТ), области вычислительной техники проводятся широким фронтом во всем мире и РФ не является исключением. Известный закон Мура показывает, что люди практически исчерпали возможности полупроводниковых материалов, и носителей информации на которых базируется электронная техника. Рост быстродействия вычислений за счет уменьшения элементов и увеличения их количества на единице площади подошел к своему физическому пределу.
Специалисты это понимают и предпринимают определенные попытки для сохранения темпов развития цивилизации. Разыскивают и создают новые материалы, физические принципы, разрабатывают теории, позволяющие находить выход из приближающегося кризиса. Но их мало и возможности их ограничены. Дело не только в финансах и отсутствии новых перспективных теорий. Огромное значение приобретает этическая сторона, что мы уже видим в биологических исследованиях, в искусственном интеллекте и других направлениях. (Кодекс этики ИИ и всеобщая декларация о биоэтике и правах человека и др.)
Оказалось, что эта сфера очень слабо разработана и предпринимаемые меры оказываются без четкого обоснования, а часто сильно запаздывающими.
В предлагаемой публикации автор касается всего лишь одной сферы деятельности людей, связанной с вычислениями и вычислительными средствами. (см. здесь).
Введение
Оптоэлектроника — раздел электроники, занимающийся вопросами использования оптических и электрических методов обработки, хранения и передачи информации[1][2]. Его предметная область охватывает теоретическое исследование взаимодействия электромагнитных полей оптического диапазона (частоты 3×1011 — 3×1017 Гц или длины волн 1 нм — 1 мм) с электронами в твёрдых телах и других субстанциях.
Фотоника - передовая отрасль науки и технологии, занимающаяся фундаментальными и прикладными аспектами работы с оптическими сигналами, а также созданием на их базе устройств различного назначения. Фотоника по сути является аналогом электроники, использующим вместо электронов кванты электромагнитного поля — фотоны.
Крупнейший европейский научный проект этого направления называется «Graphene Flagship» – «Графеновый флагман» – научно-исследовательская инициатива Европейского союза . [ 1 ] С бюджетом в 1 млрд евро это одна из крупномасштабных инициатив, организованных программой Future and Emerging Technologies , наряду с проектом Human Brain Project и Quantum Technologies Flagship. [ 2 ] [ 3 ] целью которого является разработка, внедрение передовых технологий в области оптики и фотоники, используя уникальные свойства графена . [ 5 ]
В РФ создана система специальных Центров фотоникии и оптоинформатики с задачей разработки и создания новых технологий, научного исследования, сопровождения и обеспечения оборудования волоконно-оптических компонентов и модулей, измерительного и технологического оборудования для волоконной оптики, источников излучения, оптоэлектроники, лазерных компонентов, приборов для анализа параметров лазерного излучения, оптомеханики, позиционеров, и оптики.
Возможности фотоники
Ключевое преимущество фотонов в передаче данных то, что они не взаимодействуют между собой и это позволяет по одному физическому каналу передавать несколько сигналов одновременно
Управляемый показатель преломления (возможность увеличения) света в среде. Действие простое, но раньше это никем не объявлялось;
Уменьшение длины волны;
Использование оптической анизотропии (различие оптических свойств среды, связанное с зависимостью скорости световых волн от направления распространения и от поляризации).
Оказывается, показатель преломления еще зависит от направления распространения света. То есть в одном направлении распространение света в материале показатель преломления скажем «пять», а вдоль другого направления «два». Для таких материалов эффект полного внутреннего отражения модифицируется, что эффективно приводит к еще большему «сжиманию» света.
Как используется анизотропия в фотонике? Здесь дело в том, что появляется два значения показателя преломления вместо одного. Возникает дополнительная степень свободы при дизайне волноводов на фотонном чипе. А это, в свою очередь, можно использовать для «сжатия» света или, другими словами, уменьшения размеров волноводов на фотонном чипе. В частности гигантская оптическая анизотропия позволяет преодолеть дифракционный предел – минимально возможное «сжатие» света.
Долгое время считалось, что сжать свет меньше дифракционного предела невозможно.
Результат преодоления предела был получен в опытах нынешнего директора Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Валентина Волкова. Он сжимал свет до значения меньшего дифракционного предела, но это было сделано за счет увеличения оптических потерь. Волноводы получались компактными, но сигнал далеко не распространялся. И эта технология не получила развития в вычислительной технике, но подход показал, что дифракционный предел не является фундаментальным ограничением.
Использование анизотропии позволило сигналу без потерь распространяться на сколь угодно далекие расстояния, преодолевать дифракционный предел. Это отечественная концепция достаточно сложная и неочевидная, требующая более глубокого понимания физики для ее реализации. Хотя сама идея простая – анизотропия приводит к увеличению количества переменных, то есть два показателя преломления вместо одного открывает новые возможности для управления световым сигналом.
Графен и другие материалы
В 2010 году за открытие графена выпускникам МФТИ Андрею Гейману и Константину Новоселову присудили Нобелевскую премию. Сейчас графен становится материалом современной эпохи подобно тому, как другие эпохи назывались «каменный век», «бронзовый век», «железный век».
Первая половина ХХ века – это эпоха стали и железа, а вторая – полупроводников. В ХХI веке их место займут графен и другие двумерные материалы (кристаллы, состоящие из одного или нескольких слоев, в которых межатомные взаимодействия в плоскости слоя гораздо сильнее, чем межплоскостные). Графеновых материалов насчитывается уже более 5000, и их количество увеличивается.
Со временем выяснилось, что для задач оптоэлектроники и фотоники лучше графена подходят его аналоги –полупроводниковые слоистые материалы, такие как дисульфид молибдена, дисульфид вольфрама и т.д. За развитие на новой основе технологий вычислительной техники научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ Ермолаев Георгий награжден Большой золотой медалью Академии наук.
В ХХ веке вычислительную технику делали на основе полупроводниковых транзисторов. На той же основе делают ее и сейчас, но проблема в том, что технологические процессы практически вышли на свой физический предел. Сейчас они делаются на масштабах всего в два нанометра – это буквально несколько атомов. А на одном атоме сделать транзистор будет уже невозможно. Другими словами, наши компьютеры скоро достигнут предела вычислительной мощности.
Куда следует двигаться дальше? Остановка в развитии недопустима. Наметились два основных направления.
Первое – создание квантового компьютера, но задача эта очень долгая, крайне непросто связывать друг с другом кубиты (наименьшие единицы информации в квантовом компьютере). Очередное увеличение количества кубитов требует огромных ресурсов, технология тяжело масштабируется… Трудоемкий путь.
Второе – строить компьютеры на основе фотоники. Заменить электроны на фотоны. Скорость распространения света больше чем электрона, что ведет к увеличению быстродействия. Хотели делать фотонику по полупроводниковому принципу – фотонные транзисторы. Но оказалось они не эффективны, поскольку в фотонике основные уравнения линейные, а транзистор требует нелинейности. В то же время, без создания транзистора фотоника не может полностью заменить электронику.
Интегральная фотоника. Фотонный чип
Физики обнаружили, что у нитрида бора (незаменимого компонента для двумерных материалов) рекордный показатель преломления в ультрафиолетовом свете. Это означает, что материал может стать основой разработки в области нанофотоники, в частности заменить электронные компоненты в интегральных схемах компьютеров. В рамках новой фотонной технологии показывается как фотонный чип, созданный на основе слоистых материалов, сильно «сжимает» свет.
Открывается возможность создавать высокопроизводительные вычислительные устройства на основе таких фотонных схем. В центрах фотоники и оптоинформатики удалось продемонстрировать концепцию того, как такое возможно осуществить и стало понятно на основе каких материалов следует делать фотонные чипы.
Для чего в фотонных системах «сжимается» свет, уменьшается длина волны? Основные процессы фотоники реализуются и на одном оптическом элементе, он будет работать. Но чтобы это был компьютер или иное вычислительное устройство, в интегральном чипе необходимо упаковывать тысячи и даже миллионы таких устройств. Чем лучше «сжимается» свет, тем больше можно упаковать волноводных структур и тем лучше будет создаваемое вычислительное устройство.
Упрощенно техническая сторона может быть описана так. Из слоистого материала создается, например, прямоугольная структура, выступающая в качестве волноведущей структуры для распространения света. Она с одного конца засвечивается потоком фотонов, которые попадают в эту структуру, и дальше мы можем ими управлять.
Такие волноводы можно размещать близко или далеко друг от друга, и сжатие света происходит за счет того, что свет теперь распространяется только внутри волноведущей структуры благодаря эффекту полного внутреннего отражения и, соответственно ограничен стенками волновода.
В разрабатываемой технологии создания компьютеров нового поколения на новых физических принципах (основах) ожидается сокращение сроков создания и полноценного искусственного интеллекта, поведение которого невозможно предсказать.
Фотосенсоры
Из того, что на сегодня уже реализовано (не фотонный компьютер), можно увидеть и опробовать наощупь назовем оптические сенсоры. Они созданы на основе слоистых наноматериалов. Оказывается, любой двумерный материал может быть использован в качестве сенсора благодаря возможности достижения сильного взаимодействия со светом. Кроме того, двумерные материалы легко крепятся (размещаются) на любой поверхности, а далее при помощи спектрометра измеряется оптический отклик, по которому можно детектировать обнаружение тех или иных исследуемых веществ.
Область использования таких сенсоров достаточно обширная. Можно определять концентрацию биологических объектов. Например, ковидных вирусов. Если их концентрация выше определенной, можно сказать, что здесь находиться людям небезопасно, следует изолировать эту область пространства. На практике это уже применяется, хотя пока не стало коммерческим продуктом.
Активная работа с подобными сенсорами продолжается. Они испытываются по классической технологии. Берутся жидкости различного состава, размещаем капли на поверхность двумерного материала и наблюдаем как меняется сигнал в зависимости от состава жидкости. Если состав изменился совсем чуть-чуть, но такое различие можно зарегистрировать в оптическом сигнале, то сенсор готов, его остается только откалибровать на требуемое вещество, те же самые ковидные вирусы. В этом отношении оптические сенсоры универсальны, так как их можно использовать для детектирования чего угодно.
О фотонном компьютере
Популярность фотоники и ожидание создания фотонного компьютера почти выравнивается с популярностью и ожиданием квантового компьютера. Особенно это заметно по зарубежным публикациям и практическим разработкам. В РФ появляются стартапы, производства первых фотонных устройств на чипе. Пока только на кремниевой основе, так как в ней все классно отработано. Но тем не менее, на кремнии они не смогут превзойти электронные компоненты.
Работает концепция – «кто первый долетит». В какой-то момент разработчики осознают, что надо делать на слоистых материалах, познакомятся с публикациями отечественных авторов и в итоге может быть сделают.
Можно сформулировать главные свойства фотонного компьютера.
Он энергоэффективен более чем привычный нам компьютер, потому что у обычного при работе происходит нагрев. Чем меньше электронные компоненты, тем сильнее нагрев. В фотонных же схемах свет распространяется по волноводам без поглощения и не происходит никакого выделения тепла. Выделение тепла – это большая проблема компьютеров. В фотонном компьютере этой проблемы нет.
Интегральная фотоника для сверхскоростных цифровых устройств.
Пример Оptical analog vector-by-matrix multiplier
В фотонном компьютере за счет колоссальной скорости света сигналы можно распространять гораздо быстрее, чем в привычных электронных компьютерах. Квантовый и фотонный компьютеры в чем-то похожи: по сути это аналоговые компьютеры, все его преимущества (увеличение количества состояний системы) – это преимущества аналогового компьютера. Раньше нельзя было сделать надежный аналоговый компьютер.
Произошел исторический переход: сначала человечество делало аналоговые вычислительные устройства, потом поняло, что нужны цифровые, и сейчас ими пользуемся.
И вот идет обратное понимание– что аналоговые не так уж плохи. Происходит новый переход. Фотонные и квантовые – аналоговые, и за счет этого можно добиваться быстрых вычислений.
Раньше основная проблема аналоговых вычислителей состояла в том, что они допускали большие ошибки. В фотонных и квантовых компьютерах количество ошибок можно сократить.
Задача создания фотонного компьютера по сложности сопоставима с полетом в космосе. Надо понимать, что та же самая полупроводниковая электроника – это триллионы долларов и миллионы людей, работающих на ней, от простого рабочего до президентов стран. У нас сейчас прорабатываются новые концепции и возникает понимание куда и как двигаться дальше.
Упоминаемые ранее Центры фотоники активно развиваются, количество работ и работников в них растет. Нужны не только знания, необходимо привлечение финансирования и людей различных профессий. Это работа не только научная.
Заключение
Тот факт, что вычислительная техника на электронах подошла вплотную к своему пределу возможностей, свидетельствует о необходимости развития вычислительных схем на какой-то другой технологической и материальной базе, возможно на других физических принципах.
К настоящему времени наметился и реализуется курс на квантовые и фотонные вычислители, в которых предлагается отказ от использования электронов, заменяя в последних электроны фотонами. Путь этот длительный и ресурсозатратный, как по времени, так и по материальным, финансовым и людским средствам.
Никаких гарантий успешного завершения предлагаемых проектов никто пока дать не может, да и требовать такие гарантии, по-видимому, преждевременно. Отсутствие строгой и понятной теории физических процессов и явлений не дает практикам уверенности в успехе проводимых ими экспериментов.
Человечество в своем развитии всегда шло вперед не самыми короткими и легкими путями, но имеем то, что есть и что имеем.
Литература
1.Евтихеев Н.Н., Евтихеева О.А., Компанец И.Н., Краснов А.Е., Кульчин Ю.Н., Одиноков С.Б., Ринкевичус Б.С. Информационная оптика. / М.: МЭИ, 2000. — 516 с.
2. Волноводная оптоэлектроника. Под ред. Т. Тамира / М.: Мир, 1991. — 575 с.
3. Интегральная оптика. Под ред. Т. Тамира / М.: Мир, 1978. — 344 с.
4. Унгер Х.Г. Планарные и волоконные оптические волноводы / М.: Мир, 1980. — 656 с.
5. Семенов А.С., Смирнов В.Л., Шмалько А.В. Интегральная оптика для систем передачи и обработки информации / М.: Радио и связь, 1990. — 225 с.
6. Гончаренко А.М., Редько В.П. Введение в интегральную оптику / Минск: Наука и техника, 1975. — 152 с.
7. Введение в интегральную оптику. Под ред. М. Барноски / М.: Мир, 1977. — 367 с.
8. Клэр Ж.-Ж. Введение в интегральную оптику / М.: Сов. Радио, 1980. —104 с.
9. sanjoma (2017-09-29). "Graphene Flagship" . Формирование цифрового будущего Европы - Европейская комиссия . Получено 2021-02-12 .
10. Джонсон, Декстер.«Европа инвестирует 1 млрд евро, чтобы стать «графеновой долиной»" . IEEE . Получено 12 октября 2016 г.
11. Крамер, Дэвид (1 августа 2021 г.). «Европейский эксперимент по финансированию исследований графена окупается» . Physics Today . 74 (8): 20–24. doi : 10.1063/PT.3.4811 .
Виноградова М.Б., Руденко О.В., Сухоруков А.П. Теория волн. 2-е изд. М.: Наука, 1990.
12. Ларкин А.И., Ф.Т.С. Юу. Когерентная фотоника. М.: БИНОМ, 2007.
13. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. M.: Мир, 1987.
14. Ньюнхем Р.Э. Свойства материалов. Анизотропия, симметрия, структура. М. - Ижевск: НИЦ "Регулярная и хаотическая динамика", 2007.
15. Дмитриев В.Г., Тарасов Л.В. Прикладная нелинейная оптика. 2-е изд. М.: Физматлит, 2004.
16. Белотелов В.И., Звездин А.К. Фотонные кристаллы и другие метаматериалы. Приложение к журналу "Квант"; № 2, 2006.
17. Кившарь Ю.С., Агравал Г.П. Оптические солитоны: от волоконных световодов до фотонных кристаллов. М.: Физматлит, 2005.
18. Балакший В.И., Парыгин В.Н., Чирков Л.Е.. Физические основы акустооптики. М.: Радио и связь, 1985.
19. Парыгин В.Н., Балакший В.И. Оптическая обработка информации. М.: Изд. Моск. ун-та, 1987.
20. Звелто О. Принципы лазеров. 4-е изд. М.: Лань, 1990.
21. Борейшо А.С. Лазеры. Устройство и действие. Санкт-Петербург - 1992.
22. "Наши партнеры" . Флагман Graphene . Получено 2021-02-12 .
23. "Graphene Flagship" . Получено 12 октября 2016 г.