Какова скорость передачи данных в нанофотонных микропроцессорах?

Новости МирТесен

Разработана теория, которая позволяет с высокой точностью прогнозировать шумы, проявляющиеся при усилении фотонных и плазмонных сигналов в наноразмерных устройствах.

Исследователи из Лаборатории нанооптики и плазмоники Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ создали теорию, позволяющую точно предсказывать шумы, возникающие при усилении фотонных и плазмонных сигналов в наноразмерных схемах. В статье, доложенная в журнале Physical Review Applied, исследователи продемонстрировали методики вычисления максимальной скорости передачи данных внутри оптоэлектронных микросхем будущего поколения и определили основные пределы возможностей нанофотонных соединительных элементов.

Поверхностные плазмон-поляритоны представляют собой коллективные колебания электронов на поверхности металла вместе с окружающим их электромагнитным полем. Упрощённо поверхностный плазмон можно описать как «сплюснутый» квант света, и именно это обуславливает перспективность плазмонных устройств: их размеры не сильно превосходят размеры наноэлектронных компонентов, но с их помощью можно передавать куда больше информации, чем по электрическим проводам. Даже частичная замена металлических соединений на чипе на плазмонные (нанофотонные) позволит существенно повысить производительность микропроцессоров.

Ограничением является ослабление сигнала: поверхностные плазмоны способны распространяться исключительно в активных волноводах. Эти волноводы не только осуществляют направление сигнала от источника к принимающему устройству, но и обеспечивают его энергией за счет электрического тока, протекающего через систему. Введение дополнительной энергии позволяет нейтрализовать потери, позволяя сигналу распространяться по волноводу столь же плавно, как ходят стрелки часов с батарейкой.

Проблема увеличения сигналов и компенсации потерь сопряжена с базовым принципом работы. Любой усилитель не просто увеличивает амплитуду поступающих данных, но и сам генерирует искажения, которые в физике называют шумом. Законы термодинамики диктуют неизбежность возникновения помех любого типа в любой системе; создание устройства без каких-либо шумов принципиально невозможно. Искажения исходного сигнала обычно обусловлены именно этими шумовыми эффектами, что по сути ограничивает скорость передачи данных через коммуникационные каналы или приводит к ошибкам при получении информации. Для увеличения скорости обмена данными необходимо улучшение соотношения между полезным сигналом и помехами; это важность этого параметра становится очевидной каждому, кто пытался разговаривать на оживленной улице или принимать радиосигнал в отдалённом районе.

«Шумы оказывают значительное влияние на работу многих бытовых приборов – от мобильных телефонов и телевизоров до оптоволоконных сетей. Увеличение сигнала всегда сопровождается ухудшением соотношения сигнал-шум. При этом, чем сильнее усиление или, в рассматриваемом нами случае, компенсируемые потери, тем больше шума можно ожидать на выходе. В плазмонных волноводах с усилением эта проблема наиболее заметна», — отмечает актуальность рассматриваемой проблемы Дмитрий Федянин.

В недавней публикации, подготовленной Дмитрием Федяниным и Андреем Вишневым в журнале Physical Review Applied, рассматривается специфический тип помех – фотонный шум. Этот вид шума возникает при увеличении интенсивности плазмонных сигналов в полупроводниковых конструкциях. Его первопричиной является спонтанное излучение. Дополнительная энергия внедряется в сигнал вследствие переходов электронов из уровней с высокой энергией на более низкие: разница потенциалов этих состояний высвобождается в виде фотонов, и это явление может быть, вынужденным, так и спонтанным Вынужденное излучение способствует усилению сигнала, тогда как спонтанное генерирует шум. Этот шум характеризуется излучением с разнообразной энергией квантов, что приводит к широкому диапазону частот. Проявление шума заключается в непредсказуемых колебаниях интенсивности света, вызванных, биений — наложения отдельных частотных составляющих сигнала и спонтанного излучения. С увеличением усиления возрастает уровень шума, расширяются спектры вынужденного и спонтанного излучения, и применение методов квантовой оптики, предназначенных для анализа отдельных атомов, становится нецелесообразным. Высокое усиление на наномасштабах в активных плазмонных волноводах потребовало от исследователей разработки новых подходов, начиная с основ.

«Нам необходимо было объединить три дисциплины, которые редко встречаются вместе в научной деятельности: квантовую оптику, физику твердого тела и оптоэлектронику. Мы создали методологию для описания фотонного шума в средах с широкой полосой усиления. Хотя первоначально теория была разработана специально для плазмонных волноводов, наш подход может быть использован для анализа любых оптических усилителей и аналогичных конструкций» », — объясняет Дмитрий Федянин.

Нежелательные звуковые колебания приводят к возникновению дефектов при обмене информацией, что существенно замедляет реальную скорость передачи данных из-за необходимости применения алгоритмов исправления. Исправление ошибок влечет за собой потребность в дополнительных элементах внутри микросхемы для аппаратной реализации этой функции, что серьезно усложняет разработку и производство новых электронных устройств.

Имея данные о величине шума в нанофотонном канале связи и его частотном диапазоне, можно определить максимальную скорость передачи информации по данному каналу. Также возможно установить способы снижения уровня помех путем выбора определенных режимов работы устройства и применения электронных или оптических фильтров. », — продолжает Андрей Вишневый.

Новая теория позволяет, в частности, понять, возможно ли в будущем разработка принципиально нового класса устройств — плазмонно-электронных чипов. В этих чипах для передачи данных между вычислительными ядрами и регистрами процессора на сверхвысоких скоростях предполагается использование компактных плазмонных элементов. Ранее считалось, что основным сдерживающим фактором является затухание сигнала; однако, согласно исследованию ученых из МФТИ, после устранения потерь ключевой проблемой становится уровень шумов. В результате спонтанного излучения сигнал может быть просто заглушен, что сделает чип неработоспособным.

Проведенные расчеты демонстрируют, что в активном плазмонном волноводе размером 200×200 нанометров можно эффективно передавать сигнал на расстояние до 5 миллиметров. Этот размер может показаться незначительным в повседневной жизни, но он типичен для современных микропроцессоров. При этом скорость передачи данных превысит 10 Гбит/с на один спектральный канал (канал передачи информации с определенной длиной волны), а таких каналов можно разместить до нескольких десятков в одном наноразмерном волноводе при использовании соответствующей технологии. спектрального уплотнения каналов, этот метод используется во всех оптических линиях связи, в том числе и в сетях широкополосного доступа в интернет. К примеру, максимальная скорость передачи данных по электрическому соединению аналогичных размеров (например, по медной дорожке на микросхеме) составляет всего 20 Мбит/с, что более чем в 500 раз ниже!

Исследователи детально изучили зависимость параметров и интенсивности шума от характеристик плазмонного волновода с учетом компенсации потерь. Они также показали способы снижения уровня помех для достижения максимальной скорости передачи данных на таком нанофотоническом интерфейсе. Было показано, что устройство сочетает в себе компактные размеры, низкий уровень ошибок при высокой скорости и приемлемую энергоэффективность, что может уже в ближайшие десять лет привести к «плазмонной революции» в микроэлектронике.