Группа учёных с факультета инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета разработала новый чип, который для выполнения сложных математических операций использует не электричество, а световые волны. Кремниево-фотонный чип можно выпускать на современном оборудовании и использовать его, например, в качестве сопроцессора для GPU в задачах, связанных с машинным обучением.

Источник изображения: ИИ-генерация Кандинский 3.0/3DNews

Учёные создали и испытали чип на операциях векторно-матричного умножения для матриц 2 × 2 и 3 × 3. Также была показана возможность работы матрицы 10 × 10. Эти примеры продемонстрировали, что предложенные методы обладают потенциалом для создания крупномасштабных аналоговых вычислительных платформ на основе световых волн, о чём учёные рассказали в статье в журнале Nature Photonics.

В основе работы лежит доказательство концепции изготовления волноводов и аморфных линз непосредственно на кремниевой пластине с помощью стандартных техпроцессов травления и обработки пластин. Традиционные методы изготовления метаструктур страдают такими ограничениями, как узкая полоса пропускания и высокая чувствительность к ошибкам изготовления. В частности, это ограничивает масштабирование подобных архитектур.

Вместо того чтобы использовать кремниевую пластину одинаковой высоты, объясняют разработчики, «вы делаете кремний тоньше, скажем, на 150 нанометров», но только в определенных областях. Эти изменения высоты без добавления каких-либо других материалов обеспечивают средство контроля над распространением света через чип, поскольку изменения высоты могут быть распределены таким образом, чтобы свет рассеивался определенным образом, позволяя чипу выполнять математические вычисления со скоростью света.

Проще говоря, в кремнии протравливаются волноводы и создаётся система линзирования, которые обеспечат прохождение светового сигнала по лабиринту волноводов с жёстко заданным алгоритмом и в зависимости от сигналов на входе получится определённый результат. Таким сопроцессором можно дооснастить обычный графический процессор, чтобы разгрузить его от энергозатратных операций векторно-матричного умножения и, таким образом, ускорить вычисления для задач искусственного интеллекта и машинного обучения.

Корпорация Intel давно занимается проблемой сращивания полупроводниковых решений для передачи информации с оптоволоконными каналами, эта сфера получила обозначение «кремниевой фотоники». Японское правительство готово субсидировать совместные изыскания оператора связи NTT, компаний Intel и SK hynix в данной сфере, выделяя на это $305 млн бюджетных средств.

Источник изображения: Intel

Агентство Nikkei сообщило о принятом властями Японии решении сегодня. Кремниевая фотоника обещает не только повысить скорость передачи информации, но снизить энергозатраты на обеспечение этого процесса. Министерство экономики, торговли и промышленности Японии выражает надежду, что за счёт прорыва на этом направлении страна сможет получить преимущество на международном рынке и возродить свою полупроводниковую промышленность. В свете бурного развития систем искусственного интеллекта спрос на технологии скоростной передачи информации будет только расти.

Кремниевая фотоника позволяет уйти от лишних преобразований оптических сигналов в электрические, тем самым повышая скорость обмена данными и снижая энергопотребление. Участие SK hynix в этих разработках определяется её специализацией на разработке микросхем памяти, сейчас эта южнокорейская компания до сих пор остаётся главным поставщиком памяти типа HBM для ускорителей вычислений NVIDIA, которые доминируют на рынке.

К 2027 году перечисленные компании надеются вывести на рынок технологию, которая позволяет обрабатывать оптические сигналы на уровне кремниевых компонентов, а также технологию производства памяти, способной работать на терабитных скоростях. Intel, уже имеющая определённый опыт в этой сфере, будет специализироваться на приближении данных решений к условиям массового производства, хотя от своего профильного бизнеса она не так давно избавилась. В части энергопотребления стоит задача снизить его на 30–40 % по сравнению с традиционными полупроводниковыми компонентами. Японская NTT свои эксперименты в области кремниевой фотоники проводит с 2019 года и уже добилась определённых успехов на этапе изысканий, а также располагает экспериментальной площадкой для работы с прототипами соответствующих устройств.

Кремниевая фотоника обещает снизить потребление и увеличить производительность компьютеров. Чтобы отказаться от потока электронов и перейти на фотоны, необходимо тем или иным способом гармонизировать взаимодействие фотонов с материалами чипов и разработать множество новых способов управления ими. Но для начала необходимо увеличить плотность энергии «света», для чего его замедляют с минимальными потерями, что удалось учёным из Китая.

Источник изображения: Xinhua

В одном из последних номеров журнала Nano Letters группа исследователей из Шэньчжэньского института передовых технологий при Академии наук Китая сообщила, что она создала метаматериал, который смог замедлить свет в 10 000 раз с потерями на уровне 20 % по сравнению с предыдущими попытками. Это означает, что свет по чипу (каналу) распространяется с меньшим поглощением и низким рассеиванием. Подобное в разы увеличивает энергоэффективность и снижает тепловыделение, тогда как рост плотности энергии в связи с эффектом замедления света даёт в руки осязаемые рычаги по контролю над световым сигналом — с этим уже можно работать в прикладных задачах, говорят исследователи.

Добиться такого результата учёные смогли с помощью особым образом структурированной поверхности. На ней в виде периодической решётчатой структуры были последовательно размещены 100-нм кремниевые диски. Они играли роль резонаторов, которые меняли амплитуды и фазы входного сигнала. При этом важным свойством метаматериала стала способность «выталкивать» фотоны изнутри материала к его поверхности, за счёт чего поглощение почти отсутствовало. Кроме того, рассеянные в процессе одиночные фотоны снова направлялись в нужном русле с помощью соседних структур, что также снижало потери и позволяло полнее использовать входящий свет (сигнал).

«Используя технологию метаповерхности, фотонные чипы могут быть тонкими, как наклейки или строительные блоки, которые позволят функционально укладывать их друг на друга, — говорят разработчики. — Используя эффект замедленного света, производительность может быть значительно улучшена».

Компания Intel продолжает избавляться от непрофильных направлений своего бизнеса. Компания Jabil объявила, что приобретёт у Intel подразделение по производству кремниевой фотоники: компания получит в своё распоряжение линейку оптических приемопередатчиков и продолжит разработки в данной сфере в будущем. Сумма сделки не раскрывается.

Источник изображения: Rubaitul Azad / unsplash.com

Поглощение укрепит позиции Jabil на рынке средств коммуникаций для центров обработки данных и позволит ей конкурировать с другими игроками в различных сегментах, включая ЦОД для систем искусственного интеллекта, а также систем для крупнейших облачных провайдеров — гиперскейлеров. При этом Intel не планирует полностью отказываться от собственных решений в области передовых технологий ввода-вывода.

«В III квартале мы решили продать сегмент подключаемых модулей в нашем бизнесе кремниевой фотоники, что позволит нам сосредоточиться на разработке более ценных компонентов и решений оптического ввода-вывода для обеспечения масштабирования инфраструктуры ИИ. Это десятый бизнес, из которого мы вышли за последние 2,5 года, что даёт нам ежегодную экономию в размере $1,8 млрд и является подтверждением наших усилий по оптимизации портфеля и создания долгосрочной стоимости», — заявил в ходе квартального отчёта гендиректор Intel Пэт Гелсингер (Pat Gelsinger).

Под руководством господина Гелсингера Intel в последние годы действительно избавляется от неключевых направлений бизнеса: это коснулось производства памяти 3D NAND и твердотельных накопителей, направления памяти Optane, производства модемов для ноутбуков, коммуникационной продукции Barefoot, а также серверов и компьютеров NUC. Эти решения приняты в рамках реализации стратегии компании, направленной на то, чтобы сосредоточиться на основном бизнесе по производству процессоров и других чипов, и повысить прибыльность.

Новый владелец бизнеса обещает упростить аспекты, связанные с решениями для оптических сетей: Jabil планирует предлагать комплексные услуги по проектированию компонентов и сборке систем, а также обеспечить эффективное управление цепочками поставок — это поможет компании расширить рынок своей продукции.

Компании TSMC, Broadcom и NVIDIA создали альянс для совместной работы в области кремниевой фотоники. Этот альянс направлен на продвижение технологий ИИ и компьютерной техники нового поколения, обещая революцию в области энергоэффективности и вычислительной мощности. Первые продукты ожидаются уже к 2025 году.

Источник изображения: geralt / Pixabay

Направление кремниевой фотоники уже привлекло внимание таких компаний, как IBM и Intel, а также различных научных институтов, активно занимающихся исследованиями и разработками в данной области. Новый альянс, в свою очередь, сосредоточит усилия на аппаратном обеспечении для ИИ.

Центральной фигурой нового проекта станет TSMC, на плечи которой ляжет основная нагрузка по исследованиям и разработке. Компания планирует вовлечь около 200 своих сотрудников для работы над интеграцией технологий кремниевой фотоники в решения для высокопроизводительных вычислений (HPC). Основная цель — создание оптических интерконнектов на кремниевой основе, способных обеспечить более высокие скорости передачи данных между микросхемами и внутри них. К числу преимуществ нового подхода можно отнести увеличение дальности передачи данных и снижение энергопотребления.

Вице-президент TSMC, Ю Чжэньхуа (Yu Zhenhua), подчеркнул, что новый подход на основе кремниевой фотоники позволит решить две ключевые проблемы: энергоэффективность и вычислительную мощь ИИ. «Мы можем быть на пороге новой эры», — заявил он, предвещая кардинальные изменения в отрасли. Компания планирует расширить производственные мощности по выпуску передовых микросхем к концу IV квартала 2024 года, чтобы удовлетворить растущий спрос со стороны клиентов.

Создание альянса TSMC, Broadcom и NVIDIA открывает новую страницу в развитии технологий кремниевой фотоники. Перед нами, возможно, начало новой эры в сфере полупроводников, где скорость передачи данных и энергоэффективность станут определяющими факторами прогресса.

Кремниевая фотоника является отраслью промышленности, предполагающей объединение полупроводниковых вычислительных компонентов с оптическими каналами передачи информации. Представители TSMC взяли на себя смелость утверждать, что в условиях роста потребности в скоростных интерфейсах важность кремниевой фотоники будет только усиливаться, а потому контрактный производитель готов проводить профильные исследования и разработки.

Источник изображения: Nikkei Asian Review, Cheng Ting-Fang

По словам вице-президента TSMC Дугласа И (Douglas Yi), на которые ссылается Nikkei Asian Review, «обеспечив систему качественной интеграции кремниевой фотоники, мы могли бы решить сразу две проблемы, стоящие перед искусственным интеллектом — повысить энергоэффективность без ущерба для производительности вычислений». Эти заявления представитель TSMC сделал на открытии мероприятия SEMICON на Тайване, проходящего на этой неделе.

Большие объёмы данных, которые необходимо передавать при обучении языковых моделей ИИ, было бы эффективнее направлять по оптическим каналам. Это позволяет как увеличить расстояние передачи информации, так и снизить задержки, не говоря уже о снижении энергопотребления. Intel, Cisco и IBM уже давно экспериментируют в сфере кремниевой фотоники, рассчитывая применить свои разработки в суперкомпьютерах и сопутствующей инфраструктуре. NVIDIA ради достижения подобных целей купила израильскую компанию Mellanox. Китайская Huawei Technologies изначально пыталась инвестировать в эту сферу посредством строительства исследовательского центра в Великобритании, но теперь сложно судить, как такую активность можно будет продолжать в условиях западных санкций.

TSMC, по словам руководства компании, пытается сочетать разработку кремниевой фотоники с передовыми методами компоновки вычислительных решений. Пока подобные эксперименты не привели к созданию решений, готовых к массовому производству. Занимающаяся тестированием и упаковкой чипов компания ASE Technology Holding разделяет мнение о том, что поиски новых методов интеграции кремниевой фотоники через технологии упаковки являются ключом к созданию нового поколения вычислительных комплексов. По оценкам ассоциации SEMI, мировой рынок кремниевой фотоники к концу десятилетия достигнет ёмкости в $7,86 млрд, а в период с 2022 года он будет в среднем ежегодно расти на 25,7 %.

Размеры транзисторов подходят к своему пределу, за которым начинают действовать законы квантового мира. Поэтому с большой вероятностью компьютеры недалёкого будущего будут работать на оптических сигналах. Это будущее пока выглядит неопределенно, как и нет до конца понимания какие материалы, как и для чего нужно использовать. Группа российских физиков дала свой ответ на эти вопросы, для чего подробно изучила нановолокна из фосфида галлия.

Источник изображения: Pixabay

Физики лаборатории функциональных наноматериалов Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, их коллеги из Алферовского университета, ВШЭ, ИТМО, СПбГУ, Политехнического университета (все — Санкт-Петербург) и Ереванского государственного университета создавали на подложке нановолокна из фосфида галлия, меняя их диаметр и геометрию, после чего изучали оптические и спектральные характеристики образцов.

Алексей Большаков, заведующий лабораторией функциональных наноматериалов МФТИ, рассказал: «Мы показываем, что, используя нитиевидные нанокристаллы, можно делать волноводы размером 100 нанометров — это важный шаг по снижению размеров оптических элементов. Меняя геометрию кристаллов, можно фильтровать свет, который передает волновод, а варьируя их химический состав, можно создавать и наноразмерные источники света для систем на чипе».

Работа учёных была опубликована в научном журнале Small. Главной её ценностью стала демонстрация возможности создавать логические элементы из нановолокон фосфида галлия. Наряду с великолепными оптическими свойствами, этот материал доказал свою эластичность на наноуровне. Так, нанопровода можно было изгибать без возникновения дефектов и они не теряли своих оптических характеристик. Придавая нановолокнам необходимую геометрическую конфигурацию, из них можно создавать не только простейшие волноводы, но также фильтры, резонаторы и другие сложные оптические элементы микросхем.

Алексей Большаков поделился планами: «Мы экспериментально показали и теоретически объяснили, какие размеры должен иметь волновод из фосфида галлия, чтобы поддерживать передачу света. Далее направим усилия на изготовление более сложных оптических элементов: фильтров, интерферометров. Мы можем спектрально разделять оптические сигналы, используя схемы из нескольких наноструктур, что важно для создания логических элементов. Также мы создаем из других материалов волноводы, которые будут работать на других длинах волн света».

В Scientific Reports вышла статья группы авторов из Сколтеха, НИТУ МИСИС и Оксфорда с детальным описанием физических характеристик кремниевых панцирей планктона. Копируя структуру и строение панцирей, можно создать мембрану для миниатюрного сверхчувствительного и при этом потребляющего мало энергии микрофона, фотонный кристалл или нечто другое, на что у природы ушло миллиарды лет.

Источник изображений: НИТУ МИСИС

Для изучения свойств и строения панцирей диатомовых водорослей — одноклеточных организмов с поразительными свойствами — исследователи задействовали самый передовой инструментарий, включая атомно-силовую микроскопию и наноиндентирование (на образец надавливают алмазной иглой и регистрируют его деформацию). Пожалуй, эта работа стала первым исследованием, в котором свойства кремниевых панцирей диаметром всего 30–40 мкм были изучены очень и очень детально.

Жёсткость, упругость, способность выдерживать деформации, вибрации и степень восстановления, а также многие другие параметры до этого никогда и никем не регистрировались. Полученные российскими и английскими учёными данные станут отправной точкой для множества других работ в этом направлении, что в конечном итоге обещает привести к появлению множества новых технологий, материалов и решений, включая оптронику, MEMS и наномеханику.

«Эволюционный успех и большое значение диатомовых для биосферы Земли говорят о том, что их структура оказалась оптимальна с точки зрения оптики, механики и биохимии одновременно, также при этом сводя к минимуму вес и расход материала», — пояснил заведующий Кафедрой физической химии НИТУ МИСИС, старший инженер-исследователь Центра системного проектирования Сколтеха Алексей Салимон.

Как говорится в статье научного коллектива в Scientific Reports, подобные стеклянному кружеву экзоскелеты диатомовых водорослей «являются неисчерпаемым источником вдохновения для разработки новых материалов и устройств». Они уже применяются для очистки воды от тяжёлых металлов, а также в качестве мягких абразивных веществ в составе зубной пасты, но сфера их применения не должна ограничиваться только этим. Учёные и инженеры могут вдохновиться совершенством этих естественных объектов и реализовать подсмотренное у природы в современном мире, включая электронику и наноустройства.

Учёные из «Сколтеха» придумали оптический транзистор, переключаемый одним фотоном. Они получили патент на способ переключения одним единственным фотоном при комнатной температуре такого макроскопического состояния света, как поляритонный бозе-эйнштейновский конденсат. Конкурирующие разработки осуществимы либо при глубоко криогенных температурах, либо требуют для работы десятков или сотен тысяч фотонов. Реакция на один фотон — это предел технологии.

Сегодня главная проблема для оптических компьютеров — быстрых как скорость света и холодных как окружающая их среда — это невозможность непосредственного влияния светового сигнала на другой световой сигнал (модулирование, переключение и тому подобное). По крайней мере, это утверждение справедливо, если сравнивать фотоны с электронами.

Небольшое количество электронов в виде слабого тока способно переключить состояние транзистора и привести к усилению тока. Фотоны так не могут. Одиночный фотон и даже пучок фотонов не способны повлиять на оптический сигнал большей интенсивности, что сводит на нет тему энергоэффективности.

Представленный в 2019 году учёными «Сколтеха» и компании IBM оптический транзистор, работающий при комнатной температуре, для переключения состояния требовал от 10 до 100 тыс. фотонов. Но именно эта разработка стала базовой для новой технологии, которая позволила создать условия для переключения оптического «транзистора» всего лишь одним единственным фотоном.

По большому счёту, как признаются учёные, «детектирование неуловимого явления однофотонного переключения в нашем новом эксперименте стало возможным благодаря одновременному повышению чувствительности и устранению шума». На деле эксперимент строился на множестве теоретических и практических изысканий, чуть подробнее о которых можно узнать на сайте «Сколтеха» в соответствующем пресс-релизе.

Данная работа удостоилась публикации в журнале Nature. В перспективе она открывает путь к оптическим вычислениям и более быстрой электронике, которая также не будет страдать от тепловыделения. Это обеспечит как бурный рост производительности вычислителей, так и значительное сокращение потребления энергии. Остаётся вопрос, как скоро это произойдёт? Ответа на него пока нет.

Китайским учёным удалось создать притягивающий луч на базе лазера, способный перемещать объекты на макроуровне, не прикасаясь к ним. На первый взгляд устройство работает нелогично: вместо того, чтобы отталкивать предметы, лазер их притягивает. Сообщается, что при использовании лазера мощностью 90 мВт создаётся притягивающая сила около одного микроньютона.

Источник изображения: Star Trek

Устройство обманчиво просто. Это кусочек стекла с отражающим золотым покрытием, к которому приклеена чешуйка графена. На чешуйку графена одновременно направляются синий, голубой и зелёный лазеры. И объект начинает двигаться к источнику лазерного излучения.

В принципе, установка основана на известных явлениях. Оптические пинцеты и солнечные паруса также используют свет для перемещения предметов. Однако оптический пинцет обычно ограничивается объектами размером с одну молекулу, а в парусе используется давление солнечного ветра. «В предыдущих исследованиях сила притяжения света была слишком мала, чтобы тянуть макроскопический объект, — сказал член исследовательской группы Лей Ван (Lei Wang) из Китайского университета науки и технологий Циндао. — С нашим новым подходом сила притяжения света на три порядка больше, чем световое давление на солнечный парус, использующий импульс фотонов для создания небольшой толкающей силы».

Устройство основано на уникальных свойствах графена. Графен — это один слой кристаллической решётки углерода толщиной в 1 атом. Уникальность данного материала в том, что он обладает такой же структурой, как и полупроводники, при этом он сам проводит электричество — как проводник. Графен обладает хорошей теплопроводностью, гибкостью и упругостью, он на 97 % прозрачен. При этом, графен — самый прочный из известных материалов: прочнее стали и алмаза.

Источник изображения: iLexx/Getty Images

Графен является оптически поглощающим, что означает, что он сохраняет некоторый процент энергии при бомбардировке фотонами и при этом эффективно проводит тепло. Поэтому, когда учёные направили лазер на сэндвич из графена, стекла и золота, графен передал эту энергию прямо на дальнюю сторону объекта. Из термодинамики известно, что горячие предметы излучают больше энергии, чем холодные, при прочих равных условиях. В лабораторных условиях этого дифференциального нагрева было достаточно, чтобы заставить объект двигаться.

Исследователи работали в строго контролируемой среде низкого давления. Это уменьшило оптическое рассеяние, которое могло бы исказить эксперимент. Это значит, что тяговые лучи могут оказаться наиболее полезными в космосе, как и мечтали когда-то мастера фантастики. «Наша методика обеспечивает бесконтактный метод притягивания объектов на большие расстояния, — сказал Ван. — Среда разреженного газа, которую мы использовали для демонстрации технологии, похожа на Марсианскую. И тут мы видим потенциал для управления транспортными средствами или самолётами на Марсе в отдалённом будущем».

По мере увеличения энергии импульса и снижения длины волны лазерного излучения размеры установок катастрофически растут. В то же время коротковолновый диапазон с высокой частотой излучения обещает много интересного от чувствительных сканеров безопасности в аэропортах до производительной оптоэлектроники, но везде нужна компактность. Китайские учёные смогли решить эту проблему, научившись генерировать лазерное излучение очень и очень компактными источниками.

Источник изображения: SCMP

Как сообщают китайские СМИ, группа учёных из Шанхайского института оптики и точной механики при Китайской академии наук нашла способ создания компактной версии устройства, известного как лазер на свободных электронах. Подобные лазеры интересны тем, что воздействие на пучок электронов в определённых условиях вызывает когерентное испускание фотонов этими электронами. Тем самым генерировать лазерный импульс можно в довольно большом спектре проводников и полупроводников (отдельный привет кремнию) и при этом можно задавать требуемую длину волны излучения вплоть до рентгеновского.

В частности, в своём эксперименте китайские учёные превратили в рентгеновский лазер кусок провода длиной 8 см. Соавтор исследования Е Тянь (Ye Tian) сообщил новостному изданию Shanghai Observer, что команда нашла способ синхронизировать электроны «как отряд почётного караула», чтобы генерировать большую мощность.

В ходе исследования китайские учёные возбудили свободные электроны в материале с помощью облучения железной проволоки мощным сверхбыстрым лазерным импульсом. Короткий импульс разогнал электроны до высокой скорости вдоль проволоки, что заставило другие электроны в проволоке самостоятельно излучать электромагнитные волны. Взаимодействие разогнанных свободных электронов со «вторичным» электромагнитным импульсом привело к лавинообразному процессу, что вылилось в эффекте усиления «лазерного» излучения.

Открытое явление может быть реализовано в датчиках, сканерах и микроэлектронике, когда наноразмерный объект может быть превращён в лазер с едва ли не любой длиной волны. По мнению экспертов, этот может заставить «полностью переосмыслить то, как может быть сгенерирован электронный луч» и привести к новому уровню в науке и технике.