Оптический аналоговый компьютер решил интегральное уравнение менее чем за пикосекунду

Термин «компьютер», особенно в русском языке, прочно ассоциируется с цифровой электронной вычислительной машиной (ЦЭВМ). На первый взгляд, помимо универсальных — десктопов (настольных ПК), ноутбуков, смартфонов и серверов, — они бывают и узкоспециализированными: например, сетевое оборудование, контроллеры промышленных установок. Тем не менее за некоторыми исключениями архитектура всех современных компьютеров в своей основе универсальна и многофункциональна.

Именно это позволило цифровым компьютерам, как более дешевым в производстве за счет массовости и технологичности решений, вытеснить аналоговые. Притом что еще до середины XX века последние использовались широко — от сравнительно массовых механических или электронных калькуляторов и узкоспециализированных приборов вроде прицелов до научных установок для моделирования элементарных частиц и учебных симуляторов различной техники. Что уж говорить, механические часы до сих пор в ходу — это тоже аналоговый компьютер, считающий секунды, минуты и часы с момента старта своей работы. А логарифмической линейкой по-прежнему должен уметь пользоваться каждый уважающий себя инженер.

С ростом плотности упаковки транзисторов на кристаллах процессоров все ближе физические пределы производительности микросхем. Поэтому идет активный поиск архитектурных и компоновочных решений, позволяющих наращивать вычислительную мощь микроэлектроники. Один из путей — высокая специализация отдельных блоков, из которых состоят микропроцессоры. В современных чипах есть отдельные «секции», отвечающие, например, только за обработку изображений и оцифрованных сигналов или ускоряющие работу нейросетевых алгоритмов.

Но их возможности тоже не безграничны. А учитывая, что во многих микросхемах для потребительской электроники предназначенные для универсальных задач модули занимают меньшую площадь кристалла, чем специализированные блоки и кэш, можно сказать, что и этот предел не за горами.

Существует решение, и оно не ново — гибридные компьютеры, в которых некоторые функции отданы на откуп старым, добрым аналоговым модулям. Ведь при определенных условиях они могут быть радикально эффективнее цифровых. Но и здесь есть лимит: аналоговый компьютер, даже если он часть большего, все равно остается крайне узкоспециализированным, перепрограммировать его на другие задачи практически невозможно.

Тем не менее, если найти такую задачу, которая возникает часто и в прикладных программах широкого профиля, предназначенный строго для нее аналоговый вычислитель в составе микросхемы должен дать большой рост эффективности. Именно в этом направлении пошла американо-нидерландская команда исследователей: ученые рассчитали, смоделировали и создали в лаборатории аналоговые ячейки, способные решать интегральные уравнения Фредгольма. Они часто встречаются в задачах обработки сигналов, моделировании сложных и стохастических систем, а также в распознавании, генерации и обработке изображений.

Разработка представляет собой структуру из метаматериала, особым образом преломляющую, переотражающую и переизлучающую свет. На слой оксида алюминия (сапфировое стекло) наносится решетка из кремния — фактически наросты сложной формы. Она неслучайна и определяется тем, какое уравнение будет решать ячейка, — это аналоговый оператор в уравнении. Поверх нее ложится слой-наполнитель из оксида кремния, который накрывается тончайшей (15 нанометров) пленкой золота. Последняя играет роль полупрозрачного зеркала.

Когда луч попадает через золотое покрытие внутрь ячейки, он преломляется и отражается от кремниевой решетки. Часть фотонов проходит сквозь, часть — возвращается на зеркало и отражается обратно. Таким образом выполняется процесс, эквивалентный последовательному интегрированию приближенной функции, причем буквально со скоростью света. Из ячейки излучение может выйти только со стороны стекла, и его характеристики можно измерить — они как раз будут решением уравнения.

Во время эксперимента «обсчет» приближенного решения интегрального уравнения Фредгольма до целевого порога точности занял около 349 фемтосекунд. Это на порядок меньше, чем время переключения самого быстрого транзистора (1,2 пикосекунды) и на три порядка меньше, чем время, за которое происходит один такт десктопного процессора (около 330 пикосекунд при частоте в три гигагереца). Такие аналоговые оптические вычислители группируются в матрицы на подложке и могут быть оптимизированы под различные уравнения. Размер каждой — 400 на 800 нанометров, толщина — около 640 нанометров, не считая сапфировой подложки.

О коммерческом внедрении подобных элементов в микропроцессоры речи пока не идет, технология сырая. Но перспективы у нее огромны: даже с учетом необходимости, помимо самих ячеек, размещать на чипе излучатель и приемник потенциальная экономия пространства кристалла впечатляет. Один аналоговый оптический вычислитель занимает площадь менее чем полусотни транзисторов, если учитывать самый современный техпроцесс TSMC — пять нанометров. А выполняет работу, пусть и строго в одной задаче, но целого чипа.

Научная работа с описанием всех тонкостей технологии, особенностей реализации, а также множеством формул опубликована в рецензируемом журнале Nature Nanotechnology. В открытом доступе на портале arXiv есть препринт статьи, но он не обновлялся с прошлого февраля, а значит, если при рецензировании вносили правки, этот вариант документа их лишен.