Полностью оптические системы для повышения производительности обработки данных

Полностью оптические системы для повышения производительности обработки данных

Выпуск 15 (6714) от 06 августа 2020 г.
РУБРИКА: ВЫЧИСЛИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА

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


МНЕНИЕ ЭКСПЕРТА

Наталья Истомина

Даешь передачу больших объемов информации на большие расстояния с малыми потерями за короткое время! Что тут могут поделать транзисторы на кремниевых интегральных схемах? Запнувшись на границе 3,5 ГГц, они могут лишь участвовать в реализации многопоточных вычислений.

Зато оптические модуляторы света обладают высоким быстродействием. Только на каком принципе модуляции остановиться, чтобы не зависеть от подвижности зарядов? Амплитудные модуляторы работают с частотой 20–40 ГГц. Из них наибольшее преимущество демонстрируют модуляторы Маха – Цендера. Но их протяженные размеры делают переключатели чувствительными к температурным перепадам. Уменьшение диаметра резонатора до 10 мкм поднимает рабочие частоты до 60 ГГц, но превращает модулятор в чувствительную к любым отклонениям технологического цикла капризулю.

Фазовые модуляторы способны обеспечить частоту модуляции порядка 100 ГГц. Для этого достаточно к отрезку оптического пути, по которому распространяется оптическое излучение, приложить электрическое поле или световой поток и изменить на отрезке показатель преломления. Что делают, пропуская ток или прикладывая напряжение к электродам, напыленным на волновод. Не так давно ведут исследования 2D-материалов (графена и тонких пленок дихалькогенидов переходных металлов). Менять прозрачность материалов можно, пропуская луч света через ячейку Поккельса, можно использовать эффект Керра, воздействуя световым потоком на кристалл. Хотя эффект Поккельса завязан на подвижность заряда µ, что ограничивает быстродействие, а эффект Керра может вызвать нежелательные нелинейные эффекты.

Наиболее перспективными на данный момент считаются фазовые модуляторы на эффекте Фарадея (вращение плоскости поляризации в магнитной среде). Намагниченность магнитных материалов можно переключать магнитным полем, током или фемтосекундными лазерными импульсами. Исследователи остановили свой выбор на MnFe, TmFeO3, FeBO3 и на GdFeCo. Преграда к быстродействию родилась опять-таки из условий работы с импульсами большой мощности. Так что исследователи в поисках маломощного переключателя «переключились» на феррит граната.

Фемтосекундные лазеры в России производят две компании: «Авеста» (Троицк, Москва) и «Техноскан» (Академгородок, Новосибирск).

Увеличение радиуса действия квантовых сетей основано на использовании квантовых повторителей. Их основным элементом является оптическая квантовая память. Известны варианты исполнения квантовой памяти с использованием волноводов, фотонных чипов, оптических волокон. Для их создания важно найти материалы, способные долго сохранять записанную квантовую информацию. На это место претендуют кристаллы, активированные редкоземельными ионами, и NV-центры и SiV-центры окраски в алмазах. О последних достижениях и ближайших перспективах создания элементов памяти читайте в обзоре Алексея Калачева, директора Казанского физико-технического института им. Е. К. Завойского «Элементная база дальнодействующей квантовой связи» (Фотоника, 2017, №№ 1–2).

Для желающих узнать, за счет каких уникальных свойств квантовые системы могут составить основу оптических высокопроизводительных вычислительных устройств, рекомендуем обзор Алексея Федорова, руководителя научной группы «Квантовые информационные технологии» РКЦ «Квантовые технологии: от научных открытий к новым приложениям» (Фотоника, 2019, №№ 6, 8).


В ЦЕНТРЕ ВНИМАНИЯ

Nippon Telegraph and Telephone

Дата основания : 1 августа 1952 г. 
(как государственная монополия); 1 апреля 1985 г. (как частная компания).
Количество сотрудников: более 319 тыс. чел. (2019 г.).
Основная продукция: оборудование для телефонной связи, мобильной связи, широкополосного доступа, цифрового телевидения, Интернет-телевидения, 
ИТ и сетевых услуг.
Штабквартира: специальный район Тиеда, Токио, Япония
Годовой доход: 9,3 млрд долл. (1,69 трлн иен) (2019 г.).

Компания занимает 55-е место в рейтинге Fortune Global 500, является четвертой по величине доходов телекоммуникационной компанией мира, а также пятой по величине акционерной компанией Японии после Toyota, Mitsubishi Corporation, Honda и Japan Post Holdings Co., Ltd. (на сентябрь 2019 г.).

В структуру корпорации NTT входят следующие подразделения:

корпорация NTT Dokomo, разработчик и поставщик мобильных телекоммуникационных систем;

региональные операторы услуг NTT в Японии (NTT East и NTT West);

NTT Limited, через свою глобальную сеть и NTT Communications Corporation предоставляющая услуги международной телекоммуникационной связи по всему миру с территории Японии;

NTT Data Corporation, предоставляющая международные услуги передачи данных;

корпорация NTT Urban Solutions, специализирующаяся на предоставлении услуг в области недвижимости, финансов, строительства, энергосистем, разработки систем и перспективных технологий;

корпорация NTT Anode Energy, работающая в области энергетики.

Научно-исследовательские работы и программы НИОКР корпорации NTT осуществляются 13 лабораториями, расположенными как в Японии, так и за рубежом. Организационно эти лаборатории сведены в три группы.

группа лабораторий инновационных исследований;

группа лабораторий исследований информационных сетей;

группа лабораторий научно-технологических исследований.

Одна из важных миссий компании – разработка и принятие ряда мер по защите окружающей среды, основанных на Глобальной экологической хартии NTT, определяющей руководящие принципы ведения бизнеса, благоприятного для экологии, и учрежденной в соответствии с Уставом корпоративной социальной ответственности (КСО) NTT, в котором изложена основная политика деятельности в области КСО. На основе этих принципов и политики была разработана корпоративная «Экологическая стратегия 2030» (The Eco Strategy 2030).

ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ

Выпуск 22(6746) от 11 ноября 2021 г. г.
Выпуск 21(6745) от 28 октября 2021 г. г.