Насколько быстро можно передавать информацию внутри нанофотонных микропроцессоров? — Naked Science
14 минут
ФизТех

Насколько быстро можно передавать информацию внутри нанофотонных микропроцессоров?

Создана теория, позволяющая точно предсказывать шумы, возникающие при усилении фотонных и плазмонных сигналов в наноразмерных схемах.

Насколько быстро можно передавать информацию внутри нанофотонных микропроцессоров?
Насколько быстро можно передавать информацию внутри нанофотонных микропроцессоров?

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, опубликованной в журнале Physical Review Applied, учёные представили алгоритмы расчёта максимальной скорости передачи данных внутри оптоэлектронных микропроцессоров ближайшего будущего и нашли фундаментальные ограничения на пропускную способность нанофотонных интерфейсов.

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.

Проблемой является затухание сигнала — поверхностные плазмоны могут распространяться лишь по активным волноводам, которые не просто направляют сигнал от источника к приёмнику, но и подпитывают его за счёт энергии проходящего через устройство электрического тока. Добавление энергии извне компенсирует потери, и сигнал так же свободно распространяется по такому волноводу, как идут стрелки кварцевых часов до тех пор, пока в них не сядет батарейка.

С усилением сигналов и компенсацией потерь связана фундаментальная проблема. Любой усилитель не только увеличивает амплитуду всего, что поступает на его вход, но и сам добавляет помехи. Такие помехи в физике называют шумом. Законы термодинамики указывают на то, что шум той или иной природы будет неизбежно возникать в любой системе: сделать устройство, в котором шумов нет, принципиально невозможно. Как правило, искажения исходного сигнала определяются именно шумом, что фундаментально ограничивает скорость передачи информации по различным каналам связи или вызывает ошибки при её приёме. А чтобы повысить скорость обмена данными, надо улучшить соотношение сигнал-шум. Важность этого соотношения легко поймёт каждый, кто пробовал общаться на оживлённой улице или настраивать радиоприёмник вдали от города.

«Шумы играют ключевую роль чуть ли не в половине всех бытовых устройств: начиная с мобильных телефонов и телевизоров и заканчивая оптоволоконными сетями интернета. Усиление сигнала неизбежно приводит к ухудшению соотношения сигнал-шум. Причём чем больше усиление или, как в нашем случае, компенсируемые потери, тем больше шума следует ожидать на выходе. В плазмонных волноводах с усилением это проявляется наиболее ярко», — комментирует актуальность проблемы Дмитрий Федянин.

В новой статье, представленной Дмитрием Федяниным и Андреем Вишневым на страницах журнала Physical Review Applied, речь идёт об особом виде шума, а именно о фотонном шуме, возникающем при усилении плазмонных сигналов в полупроводниковых устройствах. Основным его источником является так называемое спонтанное излучение. Дополнительная энергия поступает в сигнал при переходах электронов из состояний с большей энергией в состояния с меньшей: разница в энергии этих состояний излучается в виде световых квантов, и такое излучение может быть как вынужденным, так и спонтанным. Вынужденное излучение усиливает сигнал, а вот спонтанное даёт шум, причём в виде излучения с разной энергией квантов, то есть в широком спектре. Шум проявляется как случайные колебания интенсивности излучения, возникающие в результате биений — наложения отдельных частотных компонент сигнала и спонтанной эмиссии. При этом чем больше усиление, тем сильнее шум, тем шире спектры вынужденной и спонтанной эмиссии и тем менее правомерны подходы квантовой оптики, разработанные для описания отдельных атомов. Большое усиление на наномасштабах в активных плазмонных волноводах заставило исследователей решать задачу фактически с чистого листа.

«Нам пришлось объединить три области, которые крайне редко одновременно пересекаются друг с другом в научном мире: квантовую оптику, физику полупроводников и оптоэлектонику. Мы разработали подход к описанию фотонного шума в системах со средой, усиливающей в широком спектральном диапазоне. Несмотря на то, что изначально теория создавалась для плазмонных волноводов, наш подход можно применять для любых оптических усилителей и подобных им систем», — объясняет Дмитрий Федянин.

Шум ведёт к ошибкам при передаче данных, что сильно снижает фактическую скорость передачи информации из-за необходимости использовать алгоритмы коррекции ошибок. Коррекция ошибок, помимо уменьшения скорости, требует наличия в чипе дополнительных компонентов, которые бы эту коррекцию реализовывали на аппаратном уровне, что значительно усложняет как проектирование, так и производство новых устройств.

«Зная мощность шума в нанофотонном канале связи и спектральные характеристики шума, можно вычислить, с какой максимальной скоростью возможно передавать информацию по такому каналу. Кроме того, мы можем определить, как уменьшить шум, выбирая определённые режимы работы устройства и используя электронную или оптическую фильтрацию», — продолжает Андрей Вишневый.

Новая теория позволяет, в частности, понять, возможно ли в будущем создание принципиально нового класса устройств — плазмонно-электронных чипов. В таких чипах компактные плазмонные компоненты должны применяться для передачи данных между вычислительными ядрами и регистрами процессора на сверхвысоких скоростях. Ранее считалось, что основным препятствием на этом пути является ослабление сигнала; однако, согласно работе исследователей из МФТИ, после компенсации потерь на первый план выходит проблема шумов. Сигнал, в принципе, может просто утонуть в шуме спонтанного излучения, что сделает чип абсолютно бесполезным.

Проведённые исследователями расчёты показывают, что в активном плазмонном волноводе размером лишь 200×200 нанометров можно эффективно передавать сигнал на расстояние до 5 миллиметров. Это расстояние может показаться очень малым по бытовым меркам, но оно является типичным для современных микропроцессоров. При этом скорость передачи информации будет превышать 10 Гбит/с на один спектральный канал (канал передачи информации, реализованный на фиксированной длине волны), а таких спектральных каналов в одном наноразмерном волноводе умещается до нескольких десятков при использовании технологии спектрального уплотнения каналов, которая применяется во всех оптических линиях коммуникации, включая широкополосный интернет. Для сравнения: максимальная скорость передачи информации по электрическому соединению тех же размеров (т. е. по медной дорожке на чипе) составляет всего 20 Мбит/с, то есть более чем в 500 раз меньше!

Учёные подробно исследовали, как меняются характеристики шума и его мощность в зависимости от параметров плазмонного волновода с компенсацией потерь, а также показали, как можно понизить уровень шума для достижения максимальной пропускной способности такого нанофотонного интерфейса. Они продемонстрировали сочетание малых размеров, малого числа ошибок при высокой скорости передачи данных и достаточно высокой энергоэффективности в одном устройстве, что может уже в ближайшее десятилетие обеспечить «плазмонный прорыв» в микроэлектронике.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.
Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), известен также как Физтех — ведущий российский вуз по подготовке специалистов в области теоретической, экспериментальной и прикладной физики, математики, информатики, химии, биологии и смежных дисциплин. Расположен в городе Долгопрудном Московской области, отдельные корпуса и факультеты находятся в Жуковском и в Москве.
Вчера, 17:46
17 минут
Александр Березин

SpaceX после затяжной серии аварий нормально посадила прототип Starship SN15. Огромная стальная ракета поднялась в воздух на десять километров, выполнила там сложные кульбиты, которые не могла сделать ни одна ракета ранее, а затем плавно опустилась вниз. Одни говорят, что это революция, другие — что «СССР так умел полвека назад». Кто прав и что будет дальше? Попробуем разобраться.

Вчера, 20:28
4 минуты
Илья Ведмеденко

Американский малозаметный эсминец Zumwalt хотят оснастить новой гиперзвуковой системой вооружений в 2025 году. Россия к тому времени уже должна ввести в эксплуатацию ракету морского базирования «Циркон».

Вчера, 05:00
9 минут
ТГУ

Ученые Биологического института Томского государственного университета совместно с коллегами из СибГМУ исследуют зараженность животных и людей в Сибири описторхозом. Основная задача – выяснить, какие звенья играют главную роль в распространении заболевания, чтобы на основе этих данных разработать способы мониторинга и профилактики. Некоторые аспекты проблемы уже удалось понять.

1 мая
37 минут
Александр Березин

Бразильское агентство по наблюдению за здоровьем граждан (ANVISA) заявило, что нашло в вакцине «Спутник-V» некий живой вирус. Что оно имеет в виду и почему более авторитетные западные игроки не выявили подобных причин для беспокойства? Есть и другие поводы для обеспокоенных вопросов. Обе массовые западные аденовирусные вакцины от Covid-19 вызывают необычные тромбы, которые уже имели смертельные исходы. Правы ли те, кто ожидает таких же побочных эффектов от «Спутника», и почему их в этом случае еще ни разу не смогли найти?

2 мая
62 минуты
Николай Цыгикало

Знаменитый ракетный комплекс «Искандер» стал одним из символов российской военной мощи. Он не покидает центра внимания экспертов и средств массовой информации, а его тактико-технические характеристики приводятся в каждом информационном ресурсе военной тематики. Но цифры цифрами, а что за ними? Посмотрим на работу «Искандера» с разных сторон, чтобы разобраться в принципах действия и логике конструктивных решений. Тогда глубина понимания позволит пройти дальше одних лишь цифр ТТХ, и при всей важности они окажутся не на первом месте. Наш материал — самый полный рассказ о работе «Искандера» в открытом доступе.

4 мая
4 минуты
Ольга Иванова

Ученые из Финляндии определили причины того, почему «собака бывает кусачей» по отношению к человеку и другим животным.

23 апреля
11 минут
Василий Парфенов

Действующий глава NASA в рамках общения с прессой ответил на ряд вопросов, касающихся недавних заявлений российских политиков и главы «Роскосмоса» о скором отказе от собственного сегмента МКС. Администратор заверил всех, что агентство находится в хороших отношениях с Россией, а также поделился информацией о согласовании обмена местами для астронавтов и космонавтов в пилотируемых миссиях двух стран.

16 апреля
4 минуты
Илья Ведмеденко

Исследователи установили, что обнаруженный в Баренцевом море объект — погибшая советская субмарина типа «Крейсерская». Это одна из самых больших подлодок СССР периода Второй мировой.

8 апреля
13 минут
Мария Азарова

Когда знаменитый епископ Лунда Педер Винструп умер, его похоронили в семейном склепе в Лундском соборе вместе с женой. После реставрации собора в XIX веке гробы перенесли в общее хранилище, а в 2012 году ученые решили исследовать мумифицированные останки. Неожиданно в ногах Винструпа обнаружили небольшой кулек — завернутое в ткань тело недоношенного ребенка. Это открытие вызвало резонный вопрос: как эмбрион попал в гроб к епископу и имели ли они родственную связь?

[miniorange_social_login]

Комментарии

Написать комментарий

Подтвердить?
Лучшие материалы
Войти
Регистрируясь, вы соглашаетесь с правилами использования сайта и даете согласие на обработку персональных данных.

Сообщить об опечатке

Текст, который будет отправлен нашим редакторам: