В течение десятилетий компьютерные технологии неуклонно достигали поразительных успехов в повышении производительности, но все более неясным становится вопрос, как долго это может продолжаться без значительных технологических инноваций. КМОП-транзисторы, позволившие добиться замечательных успехов в вычислительной мощности, столкнулись с физическими ограничениями, снижающими возможности дальнейшего увеличения производительности. Подобные ограничения вырисовываются и в области компьютерной памяти. Потенциально решить проблему могут полностью оптические коммутационные технологии – системы, основанные на идее использования лазерного излучения для непосредственного контроля физического состояния материала.

Современные фундаментальные проблемы КМОП-транзисторов заключаются в том, что стало очень трудно увеличить их быстродействие без увеличения потребляемой мощности. С точки зрения т. н. «закона Мура» это конец пути, даже несмотря на то что издержки производства неуклонно падают. Аналогичные ограничения возникают в области компьютерной памяти, где скорость записи и считывания магнитных запоминающих устройств на частотах в несколько гигагерц в значительной степени снижается.

Технологии полностью оптических коммутаций потенциально способны помочь электронике следующего поколения преодолеть эти препятствия. Такие системы основаны на идее использования лазерного излучения для непосредственного контроля физического состояния материала – как, например, оптическое переключение магнитных битов на жестком диске или модуляция оптических сигналов в компьютерном процессоре. И хотя большая часть подобных работ находится на ранней стадии и во многом пока остается областью чисто научных исследований, за последние 15 лет произошло несколько знаковых демонстраций того, как устройства, основанные на полностью оптическом переключении, могут обеспечить быстрое и энергоэффективное хранение данных в течение длительного времени, передачу сигнала на большие расстояния и компьютерную обработку.

Запись световым пучком

Наиболее конкретные результаты были достигнуты в области оптической записи магнитных ЗУ. В обычном жестком диске данные кодируются с использованием магнитной головки считывания–записи, осуществляющей изменение магнитных состояний отдельных битов на носителе данных. Быстрое переключение магнитных состояний требует дополнительной мощности, а также становится причиной генерации избыточного тепла. В то же время полностью оптические системы переключения состояний могут предложить более энергоэффективный путь реализации ускоренной магнитной записи. Уже доказано, что оптические переключения не приводят к рассеянию слишком большой энергии на носителе записи. По сути, ничто не ограничивает способность света переключать магнитные состояния без каких-либо затрат энергии в среде.

Идея оптической записи магнитных ЗУ существовала десятилетиями и основывалась на идее использования сфокусированного луча для прямой стимуляции переключения магнитных состояний. Первая успешная демонстрация была осуществлена в Университете Неймегена им. святого Радбода Утрехтского (Неймеген, Нидерланды) в 2007 г. Исследователи использовали поляризованные световые пучки (рис. 1) для манипулирования магнитными спинами в полупроводниковых материалах (рис. 2), однако не могли полностью переключить магнитные состояния, пока не начали работать со сплавом гадолиния-железа-кобальта (GdFeCo), широко используемым в магнитооптической записи. Сплав был предоставлен партнерами из Японии – корпорацией Nippon Telegraph and Telephone (NTT). Голландские ученые изучили поведение сплава под воздействием лазера и неожиданно обнаружили переключение состояний. Полученный эффект был достаточно устойчивым, чтобы удалось подтвердить его в течение вечера.

Источник: Photonic Spectra

Рисунок 1. Использование поляризованных световых пучков для магнитной записи

Источник: Photonic Spectra

Рисунок 2. Манипуляция магнитными спинами полупроводникового материала

«Секретным элементом» в этом сплаве, по-видимому, является гадолиний, генерирующий мощное магнитное поле, которое способствует переключению магнитного состояния под действием светового пучка. В течение первых семи лет GdFeCo был единственным материалом, который когда-либо показывал подобное поведение. Последующее исследование, проведенное специалистами Калифорнийского университета в Сан-Диего в 2014 г., продемонстрировало возможность оптического переключения на более широком спектре ферромагнитных материалов, однако этот успех сопровождается некоторыми оговорками. Во-первых, существует жесткое требование к циркулярно поляризованному свету, что не является необходимым для материальных систем на основе GdFeCo. Кроме того, для переключения в ферромагнитных материалах требуется несколько быстрых импульсов, а не один импульс. Первоначально для этого было нужно использовать дорогие фемтосекундные импульсные лазеры (рис. 3), которые могут стоить сотни тысяч долларов. Но теперь переключение может быть достигнуто с помощью более управляемых режимов пикосекундных лазерных импульсов. В качестве альтернативы можно объединить слой GdFeCo с ферромагнитным слоем – это позволяет добиться одноимпульсного переключения с использованием более универсального диапазона магнитных материалов.

Источник: Photonic Spectra

Рисунок 3. Лазеры со сверхкороткими импульсами (фемтосекундные лазеры)

В экспериментальных условиях такие системы способны побить рекорды скорости, установленные стандартными магнитными накопителями на жестких дисках. Если говорить о многоимпульсных ферромагнитных системах Калифорнийского университета, информация кодируется примерно за пикосекунду. Однако эти лазеры требуют больше времени для охлаждения между циклами записи, а это означает, что повторные циклы магнитного переключения все равно будут длиться дольше, чем необходимо. Исследователи Неймегенского университета смогли осуществить такое ультрабыстрое переключение с минимальными потерями, используя лазер на железокобальтовом гранате. Они достигли скорости переключения в 20 пс и смогли многократно переключать магнитные состояния с частотой примерно 60 ГГц, что на порядок быстрее, чем у традиционных жестких дисков. Однако этот экзотический материал плохо подходит для повседневного использования в коммерческих продуктах.

Крупные коммерческие производители накопителей на жестких дисках, такие как корпорации Western Digital и Seagate, как правило, не делали значительных инвестиций в исследования в этой области. Тем не менее они приобрели лицензии на ряд патентов, связанных с полностью оптической коммутацией, в том числе предприняли безуспешные попытки выкупить портфель интеллектуальной собственности Неймегенского университета. Аналитики полагают, что дальнейший прогресс в области полностью оптических систем может усилить интерес со стороны промышленности. На данный момент прибыль от внедрения этой технологии неочевидна.

Фотонная альтернатива

Существует и более широкая экосистема компьютерных приложений, для которых полностью оптическое переключение может в конечном итоге оказаться трансформационной технологией. С точки специалистов NTT эта технология может предложить существенное дополнение к существующим КМОП-приборам, которое значительно увеличит вычислительную мощность, не требуя существенно большего количества энергии. Речь идет не о полностью оптическом компьютере, а об интеграции энергоэффективных фотонных процессоров с высоким быстродействием в КМОП-процессоры.

В таких приборах используются материалы с нелинейными оптическими свойствами, в которых входной световой пучок способен взаимодействовать с веществом таким образом, что поведение выходного светового пучка изменяется. Таким образом, один луч света действует как переключатель, управляющий другим, что напоминает электронное переключение в традиционной электронике. Специалисты NTT отмечают, что первоначальные фотонные переключатели были крайне неэффективными и требовали чрезмерно высоких уровней энергии для достижения события переключения. Одна из причин состоит в том, что степень взаимодействия светового излучения и материи слишком мала. Существуют способы улучшить это – в частности, физически ограничить входной пучок. В 2010 г. японские разработчики показали, что могут использовать фотонные кристаллы с крошечными наноразмерными полостями для подобных ограничений, и достигли очень малого энергопотребления – всего 400 аДж/бит (аттоджоуль, 10^–18 Дж), в сотни раз меньше, чем у традиционных полностью оптических коммутирующих устройств того времени. Правда, скорость переключения была относительно сопоставима с другими подобными приборами – порядка 20–40 пс. Из-за ограничений, присущих фотонно-кристаллическому подходу, разработчики NTT переключились на нановолноводы, крошечные устройства, способные эффективно управлять потоком света или энергии. Чтобы максимизировать преимущества, они объединили свои волноводы с графеном. Этот материал демонстрирует превосходные нелинейно-оптические свойства и быстрое время отклика на световое воздействие, однако не может использоваться сам по себе из-за экстремально малой толщины (углеродный слой в один атом).

Идея оптической записи магнитной памяти существовала десятилетиями и основывалась на идее использования сфокусированного луча для прямой стимуляции переключения магнитных состояний. Наноразмерный волновод и графен оказались очень эффективным сочетанием. В работе, опубликованной в ноябре 2019 г., команда NTT продемонстрировала, что такая конструкция может обеспечить самое быстрое и энергоэффективное полностью оптическое переключение на сегодняшний день. Для достижения времени переключения около 100 фс требуется всего 35 фДж энергии. Сами исследователи были удивлены результатом – они ожидали времени переключения около 1 пс. В настоящее время они пытаются выяснить, почему удалось достичь такой высокой скорости.

Результаты работ по-прежнему рассматриваются как предварительные. Японские ученые полагают, что пройдет не менее 10 лет, прежде чем будут разработаны фотонные интегральные схемы. Впрочем, в данной области технологий активно работают не только NTT, но и другие компьютерные гиганты, такие как корпорации IBM и Intel, разрабатывающие технологии фотонных процессоров.

Даже если полностью оптическая обработка данных пока остается за горизонтом, достижения в области сверхбыстрой коммутации с низким энергопотреблением могут вскоре найти применение в других точках вычислительного конвейера. Например, это могут быть межсоединения, передающие информацию между различными компонентами компьютера. Другой вариант – широкополосные сети дальней связи, обеспечивающие быструю ретрансляцию данных. Во многих подобных системах используется мультиплексная передача с временным разделением (уплотнением) каналов, где скорость передачи данных сегодня достигает 40 Гбит/с, однако графеновый переключатель корпорации NTT демонстрирует скорость передачи данных до 1 Тбит/с, что в 25 раз быстрее. Потребуется увеличить степень параллелизма генерации и добиться прогресса в обнаружении лазерных импульсов, но итоговый результат способен придать значительный толчок развитию глобальных сетей связи.

Eisenstein Michael. All-Optical Switching Alternatives for Data Processing. Photonics Spectra, July 2020, pp. 34–38: https://www.photonicsspectra-digital.com/photonicsspectra/july_2020/MobilePagedArticle.action?articleId=1599256&app=false#articleId1599256