Специалисты из Массачусетского технологического института добились прогресса в разработке микрочипов, демонстрирующих потенциал передачи данных со скоростью, превышающей один петабит в секунду. Этот значительный успех обусловлен совершенствованием технологий интеграции электронных и фотонных элементов, что позволяет существенно увеличить скорость обмена информацией при одновременном уменьшении потребления энергии. Данная работа осуществляется в рамках программы FUTUR-IC, целью которой является развитие гибридных электронно-фотонных систем.

Увеличение вычислительных задач, обусловленное искусственного интеллекта, облачные технологии и масштабные центры обработки данных достигают предела своих возможностей при использовании традиционной электроники. Передача данных по электрическим проводникам становится всё более энергоёмкой и медленной в условиях экспоненциального роста объёмов информации. В связи с этим исследователи все чаще обращаются к фотонике как к потенциальной базе для вычислительных систем будущего.

Суть исследований, проводимых в MIT, заключается в оптимизации процесса объединения электронных и фотонных чипов. Электроника выполняет обработку данных, используя электрические сигналы, а фотоника обеспечивает передачу информации посредством света. Такой подход позволяет обойти ограничения, связанные с сопротивлением и тепловыми потерями, типичными для традиционных электрических соединений.

В рамках программы FUTUR-IC ученые представили инновационные решения, облегчающие интеграцию фотонных компонентов в микрочипы. К ним относятся два новых типа оптических соединителей: эвaнесцентный и градиентный соединитель с переменным показателем преломления. Эти компоненты способствуют более эффективной передаче светового сигнала между фотонными структурами.

В дополнение к этому, специалисты применили уже имеющийся оптический соединитель, созданный под руководством профессора Джу Джуна Ху. Объединенные усилия позволили технологииФотонные интегральные схемы можно сравнить с «пайками» в электронике, но предназначенными для света: они обеспечивают объединение фотонных компонентов подобно тому, как металлические контакты соединяют электрические микросхемы.

Фотонные системы обладают существенным преимуществом по сравнению с электронными. В отличие от электронных сигналов, которые теряют энергию при повышении скорости передачи, свет способен транспортировать значительно большие объёмы данных с минимальными потерями. Это делает фотонные технологии особенно актуальными для центров обработки информации и систем искусственного интеллекта.

По заявлению руководителя программы FUTUR-IC Ану Агарвал, главная задача проводимых исследований – достижение скорости передачи данных, превышающей один петабит в секунду. Учёные полагают, что вычислительные системы будущего будут разделять функциональные обязанности: электроника будет отвечать за выполнение вычислений, а фотоника – за передачу информации.

Вопросы, связанные с этими разработками, становятся все более значимыми в связи с постоянно растущим потреблением электроэнергии центрами обработки данных, которые на текущий момент используют существенную часть мирового энергобаланса. Фотонная интеграция представляется одним из наиболее перспективных методов повышения пропускной способности без сопутствующего увеличения энергопотребления.

Специалисты акцентируют внимание на том, что вместо разработки универсального решения они создают несколько типов оптических соединителей, каждый из которых настроен на выполнение конкретных задач. Эванесцентный тип проще в изготовлении и обеспечивает возможность плотной компоновки элементов, а градиентный тип позволяет функционировать в более широком диапазоне длин волн.

В дополнение к работе над аппаратным обеспечением, инициатива FUTUR-IC охватывает и другие важные области. К ним относится разработка платформы Earthster, созданной для анализа влияния производства полупроводниковых чипов на окружающую среду, а также образовательные курсы, направленные на оптимизацию использования ресурсов в сфере микроэлектроники.

Несмотря на то, что внедрение этих технологий в коммерческую практику пока остается вопросом будущего, исследованияТехнологии, разрабатываемые MIT, уже сейчас закладывают фундамент для появления нового поколения вычислительных систем, где значительную роль будут играть гибридные электронно-фотонные архитектуры.