Земляне, мы с вами упёрлись в технологии производства транзисторов.

В Токио показали дифракционное литьё — фотонные транзисторы вместо привычных электрических.



На их базе можно собрать полноценную фотонную схему (правда, без памяти). Составляющие такие:

• Микроволноводы — это тонкие «дорожки» для света, как провода для электричества. Они могут быть сделаны из кремния, нитрида кремния или других материалов с высоким показателем преломления. Свет в них движется за счёт явления полного внутреннего отражения — того же, что позволяет световоду или оптоволокну проводить свет. В целом их мы хорошо знаем по оптоволокну.
• Делители луча — работают по принципу частичного отражения и преломления, разделяя входящий свет на два или более лучей с заданным соотношением мощности.
• Модуляторы — это регуляторы для света. Они могут менять амплитуду (яркость), фазу (положение волны), поляризацию (ориентацию колебаний) или частоту (цвет) света. Работают на электрооптических эффектах, когда электрическое поле меняет свойства материала для прохождения света. Фактически это транзисторы. Вся логика на них.
• Фотодетекторы — полупроводниковые устройства, где фотоны выбивают электроны, создавая электрический ток. Это связка с классическим полупроводниковым миром.

Но пока нет эффективных оптических систем хранения памяти. В фотонике пока нет простого способа «остановить» фотоны и хранить их долгое время. Поэтому современные фотонные системы часто являются гибридными: обработка данных происходит с помощью света, а хранение — с помощью электронных компонентов. Это требует постоянного преобразования сигналов из оптических в электрические и обратно, и это снижает потенциальное преимущество в скорости.

Фотонные схемы архитектурно другие по параллельным вычислениям.

Почему так нужно менять технологию транзисторов?

Энергии планеты лет так через 10 уже будет не хватать на все нужные вычисления. Можно добывать больше энергии, а можно уменьшать микросхемы.

Что такое фотонные компьютеры

Фотонные компьютеры используют оптические переключатели не на полупроводниках, а на материалах, которые меняют свои оптические свойства под воздействием других световых сигналов, электрического или магнитного полей. Есть нелинейные оптические эффекты, при которых свойства материала зависят от интенсивности проходящего света. И есть микрорезонаторы — устройства, которые могут усиливать, фильтровать или модулировать световые сигналы.

В традиционных компьютерах основой являются кремниевые транзисторы. В основе — полупроводники (кремний). Они могут менять свою способность проводить электричество при подаче управляющих сигналов. Транзистор работает как кран: он может быть открыт (ток течёт, логическая «1») или закрыт (ток не течёт, логический «0»). Он может управляться небольшим напряжением, что позволяет одному транзистору управлять другим или группой других. Например, поиск в матрице памяти — это пересечение транзистора, открывающего строку, и транзистора, открывающего колонку, и считывание потенциала со всей схемы.

По неймановской архитектуре нам нужны:

• Процессор.
• Память.
• Система ввода-вывода.
• Шина данных.

Все эти элементы сейчас построены из транзисторов. Например, процессор делается из логических элементов. Логические элементы — это группы транзисторов, которые вместе реализуют соответствующие функции. Например, элемент «И» пропускает ток, только если на оба входа подан ток. Из этих базовых элементов строятся более сложные схемы — регистры, счётчики, сумматоры, которые в конечном итоге образуют процессор.

Как они работают

На базе интерференции волн света можно создавать оптические элементы «И» или «ИЛИ»: световые волны могут усиливать или гасить друг друга в зависимости от их фазы. Керровский эффект — когда интенсивный свет проходит через некоторые материалы, он может изменить их показатель преломления. Такой эффект позволяет одному световому лучу управлять другим, создавая аналог транзистора. Фоторефрактивные материалы меняют свои оптические свойства под воздействием света, что позволяет «записывать» информацию прямо в материал на короткое время.


Схема наблюдения электрооптического эффекта Керра

Логические компоненты фотонного компьютера — это микроволноводы, делители луча, модуляторы и фотодетекторы. Усиливать, фильтровать или модулировать световые сигналы можно с помощью микрорезонаторов.


Усиление

Фотонная сеть вместо электрической предлагает очень интересные возможности:

• Мультиплексирование по длине волны: в одном волноводе может передаваться множество сигналов разных «цветов» (длин волн), не мешая друг другу.
• Многомерное кодирование информации: электрический сигнал имеет только амплитуду, а световой — амплитуду, фазу, поляризацию и частоту. Это позволяет кодировать больше информации в одном сигнале.
• Параллельная обработка: лучи света могут пересекаться без взаимодействия (в отличие от электрических токов). Это новые архитектуры.

Если заглядывать дальше в будущее, в перспективе фотонные компьютеры могут преодолеть ограничения архитектуры фон Неймана, создав принципиально новую архитектуру, где обработка и передача информации происходят одновременно, без разделения на процессор и память.

Плюсы и минусы световых вычислений

Энергоэффективность: оптические системы в целом выделяют намного меньше тепла при обработке данных, хотя при высоких мощностях сигнала или в системах с высокой плотностью компонентов тепловыделение также может стать проблемой. Тем не менее энергия на бит информации в оптических системах существенно ниже, чем в электронных аналогах.

Устойчивость к помехам: фотонам наплевать на электромагнитные наводки.

Пространственный параллелизм: световые лучи могут пересекаться, не взаимодействуя друг с другом.

Но есть и серьёзные проблемы:

• Хранение данных: выше уже касались, нет эффективных оптических систем долговременной памяти. Приходится постоянно преобразовывать сигналы между оптической и электронной формами.
• Стоимость: материалы и производственные процессы для фотоники пока дороже традиционной электроники в разы.
• Интеграция: вся планетарная IT-инфраструктура заточена под электронику. Переход на новые технологии — это не просто новые процессоры, это полное переосмысление вычислительных систем.

От идеи к железу: реальные прототипы

Макет самого первого в мире фотонного компьютера в 1990 году запатентовала команда из Bell Labs (да-да, это та самая компания, которая начинала с создания телефона). В основу процессора они положили SEED (self-electro-optic-effect devices) — двухмерные матрицы бистабильных полупроводниковых элементов с квантовыми ямами, на которые светили полупроводниковым лазером через голографическую решётку Даммена. Идея была хороша, но у этого компьютера, как и у его второй модификации DOC-II были большие проблемы с интеграцией в мире электронных вычислительных устройств. И эта задачка до сих пор до конца не решена.

Затем, в самом начале 2000-х, появился EnLight 256 — первый процессор, который, кроме привычной электроники, содержал оптические преобразователи. Делать полностью оптический компьютер было слишком дорого, но замена ядра уже дала заметное увеличение производительности. Эта машина, правда, не предназначена для домашнего применения, но военные используют её с удовольствием.

Компания Lightmatter придумала чипы Passage и Envise, которые используют как фотоны, так и электроны. Первый работает примерно так же, как оптоволоконный кабель, передающий данные на большие расстояния, только в микроварианте. Второй объединяет память электронной системы и быстродействие фотонной.

В финском Университете Aalto придумали логические вентили на оптической основе. Они используют круговую поляризацию света и направляют его через чувствительные кристаллы. В зависимости от их формы свет может отклониться либо влево, либо вправо, и так задаётся логическая функция.

Компания Microsoft придумала свой фотонный компьютер, который оперирует аналоговыми данными в виде пучков света. Он не универсален и предназначен только для оптимизации процессов (например, решения задачи коммивояжёра), но зато оптимизировать умеет очень хорошо. Чтобы показать, как классно машина обрабатывает банковские транзакции, они объединились с британским банком Barclays.

Российские учёные из Научно-исследовательского института системных исследований РАН (НИИСИ РАН) под руководством д.т.н. Стемпковского А.Л. также запатентовали свой фотонный компьютер (патент RU 2645275). Принципиальная разница с другими подобными разработками в том, что вместо привычной архитектуры фон Неймана они применили принципиально другой вариант, основанный на потоковой модели вычислений, при которой операции выполняются сразу по готовности необходимой информации без обращения в память. Эта архитектура, известная как dataflow, обеспечивает естественный параллелизм на уровне отдельных операций. Все вычисления внутри компьютера проходят с помощью оптических систем и только в конце преобразуются в привычный цифровой формат.

Дифракционное литьё: оптические вычисления по-японски

Особое внимание заслуживает метод дифракционного литья, разработанный в Японии профессором Тэцуи Каваниси из Университета Васэда.

Предпосылки к его созданию существуют уже лет сорок. Ещё в 1980-е годы там же, в Японии, придумали теневую проекцию — метод, в котором для выполнения простых логических операций использовались оптические шаблоны. С его помощью можно было выполнять некоторые простые логические операции, но геометрические формы были большими и неудобными (примерно как вакуумные лампы в первых цифровых компьютерах), а ещё их нужно было очень точно выравнивать и тщательно контролировать все световые пути. В общем, это всё было сложно и невыгодно, так что разработку положили на полочку и надолго о ней забыли.

А несколько лет назад вытащили обратно, додумали, расширили, и получилось интересно.


Самыми перспективными и полезными для фотонного компьютера качествами оказались поляризация, дифракция и интерференция света

Свет — волна, которая во время движения колеблется в разных направлениях и плоскостях. При поляризации она «причёсывается» так, чтобы колебания шли только в одной плоскости и в одном направлении. Например, когда свет отражается от воды, он поляризуется горизонтально и получаются блики. А в фотоаппаратах используются специальные фильтры, которые подобные блики задерживают.


В идеальном мире это работает примерно вот так

Дифракция — умение света огибать препятствия и возвращаться в зону, где, по идее, должна быть тень.

При разработке концепции дифракционного литья решили отказаться от физических форм, а вместо них для выполнения логических операций использовать естественное поведение и характеристики света: как он преломляется, как распространяется и как взаимодействует с различными материалами. Получилась система с функционально гибкими оптическими элементами, которая удобно расположена в пространстве и которую при необходимости можно масштабировать.

Как это работает

Система предназначена для работы с изображениями, а также с любой другой информацией, которую можно предоставить графически. Работу с изображениями можно сравнить с тем, как дизайнеры работают в фотошопе: на первый слой помещается исходное изображение, поверх него могут быть наложены другие, скрывающие, изменяющие или передающие что-то из нижнего слоя. Выходной слой получается путём комбинации всех слоёв.


Слой за слоем к исходному изображению добавляется информация

Система состоит из источника света, DOE и входного слоя. Разное освещение запускает разные логические операции. Результат вычислений в конце каскада выглядит как распределение интенсивности света. Он фиксируется датчиком изображения и преобразуется с его помощью в двоичный формат, который можно хранить в памяти, обрабатывать дальше или предоставить пользователю в каком-либо удобном виде.


Выбор логической операции выполняется с помощью реконфигурируемой подсветки без каких-либо изменений в DOE

В качестве испытания системы учёные успешно провели численное моделирование, используя чёрно-белые изображения размером 16 на 16 пикселей (это меньше, чем иконки на экране смартфона).

С помощью дифракционного литья можно совершать на двух произвольных 256-битных параллельных двоичных входах шестнадцать типов логических операций SIMD (Single Instruction, Multiple Data — один алгоритм, множество данных), при которых одна и та же операция одновременно применяется ко множеству элементов данных. В случае с изображениями это означает, что одна и та же логическая функция выполняется параллельно над каждой парой соответствующих пикселей двух изображений, формируя новое изображение на выходе.

Все шестнадцать логических операций выполняются без ошибок и со скоростью света. Так что эта архитектура — вполне перспективный кандидат для вычислительных систем следующего поколения. Она даёт множество возможностей, начиная с обработки изображений и до оптических вычислительных ускорителей. Есть возможность расширить её дальше в область квантовых вычислений.

Самое приятное в том, что для переключения между операциями не нужно ничего перестраивать, кодировать и декодировать входные и выходные данные: можно просто менять схемы освещения и элементы будут работать по-другому. Это даёт определённую гибкость в выполнении масштабируемых и параллельных логических операций.

Где это пригодится в реальном мире

Полная замена электроники фотоникой — это не про ближайшее будущее. Но есть множество областей, где даже частичное внедрение фотонных технологий даст огромный буст:

• Компьютерное зрение: дифракционное литьё идеально для быстрой обработки видеопотоков с камер наблюдения или систем машинного зрения.
• IoT: обработка терабайтов данных от миллиардов сенсоров требует высокой пропускной способности и параллелизма, которые фотоника обеспечивает на физическом уровне.
• Беспилотный транспорт: мгновенная обработка данных от десятков сенсоров критична для безопасного автономного вождения.
• Медицинская визуализация: анализ МРТ, КТ или рентгеновских снимков может быть радикально ускорен с помощью фотонных систем.
• LLM/слабые AI: современные нейросети оперируют многомерными тензорами, а умножение матриц — та ещё вычислительная нагрузка. Фотонные процессоры могут вывести это на новый уровень скорости и энергоэффективности.

Когда наступит эра света?

Особенно интригующая возможность фотоники — оптическое мультиплексирование, позволяющее передавать по одному волноводу множество независимых сигналов с разной длиной волны. В отличие от электричества, световые лучи свободно пересекаются без взаимного влияния.

К тому же свет имеет больше параметров для кодирования: амплитуду, фазу, поляризацию и частоту — это открывает двери к многомерному кодированию, о котором электроника может только мечтать.

Фотонные системы имеют некоторые преимущества в безопасности. Структура оптических вычислений действительно усложняет многие традиционные атаки. При стандартных попытках подключиться к оптическому каналу часто требуется физическое вмешательство в поток света, что может приводить к обнаружимым изменениям сигнала. Однако существуют и более сложные методы неинвазивного перехвата данных, например, основанные на отводе минимальной части оптического сигнала без заметного ослабления основного потока или на использовании квантовых технологий для измерения состояния фотонов без их явного возмущения. Поэтому и для фотонных систем потребуются дополнительные уровни защиты данных.

Одно из самых перспективных направлений — разработка нейроморфных архитектур для фотонных процессоров. Представьте нейросеть, реализованную не в софте, а непосредственно в архитектуре процессора, где обработка данных происходит подобно работе мозга, со сверхнизкими задержками и минимальным энергопотреблением.

Переход к свету: реалистичный сценарий

В ближайшие годы мы, скорее всего, увидим не революцию, а эволюцию — постепенный переход к гибридным системам, где фотонные и электронные компоненты будут работать в связке. Фотоника возьмёт на себя задачи с высоким параллелизмом, а электроника продолжит заниматься тем, что делает лучше всего — хранением данных и контролем. Конечно, современные электронные системы тоже освоили параллелизм — многоядерные процессоры, SIMD-инструкции и тысячи ядер в GPU делают своё дело. Но в фотонных системах фотоны способны на большее, там потоки свободно проходят сквозь друг друга, не создавая пробок, и можно передавать одновременно по разным длинам волн (WDM) больше потоков, не мешая друг другу.

Полностью рабочие коммерческие системы на основе дифракционного литья, по оценкам экспертов, появятся через 7–10 лет. А массовое внедрение фотонных технологий в дата-центрах, финансовых учреждениях и исследовательских лабораториях можно ожидать в горизонте 15–20 лет.

Полная замена кремниевой электроники — это вопрос далёкого будущего. Слишком глубоко электронные системы вросли в нашу инфраструктуру, от смартфонов до космических спутников.
Впрочем, история IT знает немало примеров, когда технологии развивались экспоненциально быстрее прогнозов.

Что точно можно сказать: фотонные системы — не просто ещё один шаг в эволюции компьютеров, а фундаментальный сдвиг парадигмы. И те, кто первым освоит эту технологию, получат такое же преимущество, как пионеры кремниевой эры в 20-м веке.

В ближайшее десятилетие нас ждут захватывающие разработки на стыке оптики и вычислительной техники.

И, возможно, когда-нибудь фраза «Дайте мне больше света» станет не просто цитатой Гёте, а стандартным запросом сисадмина при апгрейде серверной.