Командой научно-образовательного центра Функциональные Микро/Наносистемы (НОЦ ФМН) – совместного кластера МГТУ им. Н.Э. Баумана и ФГУП «ВНИИА им. Н.Л. Духова» – разработана уникальная технология изготовления фотонных интегральных схем (ФИС). Минимальные размеры фотонных структур составляют 50-нм, а потери оптического сигнала (ключевая характеристика качества) в бауманских ФИС не превышают 5 дБ/м в телекоммуникационном диапазоне длин волн. Эти показатели опережают результаты таких лидеров мировой индустрии, как AIM Photonics, IMEC, CEA-Leti (IEEE November 2023). Фотонные интегральные схемы – наряду с источниками и детекторами одиночных фотонов – являются одним из ключевых элементов триады для создания оптических квантовых и нейроморфных процессоров, заточенных на ускорение систем искусственного интеллекта и вычислительной экосистемы устройств Индустрии 4.0.
Фотонная платформа сегодня выступает одной из ведущих в области разработки гибридных вычислительных систем на базе суперкомпьютеров с квантовыми и нейроморфными ядрами. В перспективы фотоники верят как глобальные инвесторы (только один американский стартап PsiQuantum в прошлом году привлек более $450 миллионов долларов инвестиций), так и ведущие научные группы США, Китая и Европы. В частности, с целью разработки фотонных квантовых вычислителей создан Европейский консорциум фотонной промышленности (European Photonic Industry Consortium), в который сегодня входит более 800 ведущих университетов и компаний, включая европейского лидера – компанию QuiX.
В число достижений фотонной платформы входит демонстрация квантового превосходства (Quantum Supremacy) канадским стартапом Xanadu на базе 216-кубитного процессора Borealis, облачный доступ на базе фотонных процессоров французского стартапа Quandela, прогресс в экспериментах с fusion-гейтами (логические операции со связанными кубитами) от PsiQuantum (США). Нейроморфные фотонные процессоры от американского стартапа Lightmatter, разрабатывающего оптические ускорители для ИИ, по своей мощности в экспериментах уже превосходят самые быстрые графические процессоры NVIDIA A100 более чем в 10 раз.
Первые в России – первые на мировом уровне: многослойная кремниевая технология
До настоящего времени одним из препятствий на пути создания высокоэффективных фотонных процессоров являлись высокие потери сигнала в волноводах – оптических каналах, по которым распространяются фотоны, реализуя вычислительный алгоритм. Типичный фотонный процессор состоит из разветвлённой оптической сети каналов (более 100), и даже незначительные потери излучения в каждом из них приводят к существенным ошибкам в выполнении алгоритма.
В НОЦ ФМН разработана технология ФИС на основе волноводов из нитрида кремния, в которой применяются технологии, аналогичные производству чипов самых современных процессоров. Ее особенностью является использование в процессе сверхчистых материалов с заданной стехиометрией и оптическими свойствами (для роста высококачественного оксида кремния, например, пары воды синтезируют при сверхвысокой температуре из особо чистых водорода и кислорода), а также прецизионные процессы электронно-лучевой литографии и плазмохимического травления (Optics Express, Q1). Разработанные командой МГТУ и ВНИИА техпроцессы позволяют серийно изготавливать чипы ФИС с субмикронными волноводами, шероховатость поверхности и краев которых не превышает 1 нм, а интегральные потери в лучших структурах 1 дБ/м опережают показатели ведущих мировых фабов.
«Разработки нитрид кремниевой платформы для задач интегральной фотоники в нашем центре стартовали в 2018 году. Выбор в пользу именно этого материала неслучаен: он обеспечивает малые потери и работу в широком диапазоне длин волн, что делает его чуть ли не единственным претендентом для создания фотонных и нейроморфных сопроцессоров следующего поколения, – отметил Александр Бабурин, руководитель направления интегральной фотоники НОЦ ФМН. – Для достижения лучших на сегодня параметров ФИС за шесть лет мы разработали проприетарный технологический процесс, включающий более сотни отдельных сложнейших операций».
Точка роста кремниевой фотоники в России
Уникальные бауманские технологии станут фундаментом для реализации программы развития интегральной фотоники в России – стратегической задачи, в решение которой вовлечены ведущие технологические и научные команды страны, во главе с Минпромторгом, Фондом перспективных исследований, РНФ, Московским кластером фотоники и др.
«Наша исследовательская команда уже более 10 лет решает сложнейшие научные и технологические задачи в области интегральной фотоники и квантовой плазмоники – на мировом уровне, а в ряде случаев и лучше ведущих фотонных фабов», – говорит Михаил Гордин, ректор МГТУ им. Н.Э. Баумана. – При этом главной целью мы ставим реализацию уникальных технологий в серии и их внедрение в реальном секторе экономики нашей страны – будь то картриджи для новейших секвенаторов ДНК, нейроморфные чипы для ИИ, оптические квантовые процессоры или лидары следующего поколения для беспилотников. Эти deep-технологии определят будущее, именно поэтому совместно с Московским кластером фотоники мы формируем программу развития и трансфера наших фотонных технологий на рынок».
«Московский кластер фотоники объединяет 58 организаций из разных регионов страны. Целью организации является описание стратегического видения развития интегральной фотоники в продуктовой логике. Одна из ключевых задач – формирование квалифицированного заказа на продукты, востребованные рынком. Базовой организацией кластера является Московский центр фотоники как опытно-производственный комплекс претворения идей в жизнь», – подчеркнула Анастасия Ольхова, советник Генерального директора АО «ОЭЗ “Технополис Москва”», куратор Московского кластера фотоники.
Бауманский университет и ФГУП ВНИИА планируют расширение комплекса исследований и разработок в области интегральной фотоники в стенах нового кластера Квантум Парк, спроектированного совместно с ведущими компаниями мира и построенного в новом Бауманском кампусе. Реализация нанотехнологического комплекса уже стартовала, ближайшая стратегическая задача – оснащение центра передовым оборудованием.
На фото: фотонные интегральные схемы для оптических квантовых и нейроморфных вычислений, изготовленные в НОЦ ФМН
Авторы фото: Илья Степанов, Алексей Крамаренко, НОЦ ФМН
Информация и фото предоставлены НОЦ Функциональные Микро/Наносистемы МГТУ им. Н.Э. Баумана