2024/09/17 16:59:27

Почему кремниевую фотонику считают источником следующей информационной революции

Не исключено, что когда-нибудь средствами кремниевой фотоники весь огромный ЦОД можно будет превратить в единый гипермасштабируемый компьютер, а если принять во внимание достигнутые к тому времени успехи в области искусственного интеллекта, то несложно представить себе нечто наподобие Океана на Солярисе, описанного Станиславом Лемом^[1]. Пока же нынешние серверы и ЦОДы по своему состоянию напоминают ПК в их бытность до появления SATA и USB: внутри — нескладные ленточные кабели, снаружи — последовательные и параллельные порты для мыши, клавиатуры и колонок. Но уже в 2025 году картина станет иной: все будет унифицировано и подключено по оптоволокну, что обеспечит качественно иной подход к целому ряду задач, в частности, к масштабированию и высокопроизводительным вычислениям. И все это станет возможным благодаря достижениям в области кремниевой фотоники.

Кремниевой фотоникой называют синергию двух групп технологий — электроники и оптики, которая позволяет принципиально изменить систему передачи данных на расстояниях от миллиметров до тысяч километров. По значимости результат внедрения кремниевой фотоники сравнивают с изобретением полупроводников, потому что ее внедрение позволяет еще на много лет вперед сохранить действие закона Мура, составляющего базис развития информационных и коммуникационных технологий.

Тем, кому интересны фундаментальные основы этого направления, можно порекомендовать вышедшую в 2017 году научно-популярную книгу «Кремниевая фотоника — источник следующей информационной революции» (Daryl Inniss, Roy Rubenstein "Silicon Photonics: Fueling the Next Information Revolution"). Более серьезные введения в кремниевую фотонику — книга «Silicon Photonics III: Systems and Applications» группы авторов и «Silicon Photonics: An Introduction» (Graham T. Reed, Andrew P. Knights). Также на эту тему есть несколько полезных материалов на сайте компании Mellanox^[2]^[3].

Отличие традиционной архитектуры ЦОДа от схемы с использованием кремниевой фотоники

Как это работает

Если же ограничиться практическими приложениями к компьютингу, то, как и в случае с электроникой, оптику и физику твердого тела можно оставить в стороне. Для понимания на системотехническом уровне достаточно самых поверхностных сведений о предмете. Казалось бы все очевидно: последовательность электрических сигналов преобразуется передатчиком T в последовательность оптических сигналов. По кабелю она попадает в приемник R, который возвращает им электрическую форму. В качестве источников света могут использоваться несколько типов лазеров, а для передачи одно- или мультимодальные кабели.

Схема передачи сигналов

Но не стоит забывать о научной и инженерной сложности проблем, возникающих при реализации принципов кремниевой фотоники. О ней можно судить хотя бы по тому, что первые экспериментальные работы в этом направлении датируются еще серединой 80-х годов ХХ века, попытки коммерческих разработок были сделаны в начале 2000-х годов, а первые коммерческие результаты были получены только после 2016 года. Сорок лет... При том, что практическое использование оптоволоконной связи началось в середине шестидесятых, а экспериментальные работы — намного раньше. Метавселенная ВДНХ 3.3 т

Суть проблемы материалов на основе кремния заключается в невозможности работать на тех же частотах, которые используются в волоконной оптике, а использовать альтернативные материалы практически невозможно по экономическим причинам. В существующие технологии полупроводникового производства вложены колоссальные средства. Для реализации принципов кремниевой фотоники их нужно адаптировать к существующим технологиям. Решением может быть включение в состав микросхем миниатюрных приемников и передатчиков и прокладка между ними соответствующих волноводов. Это сложнейшая инженерно-техническая задача, которая по состоянию на 2017 год решена.

Раньше других это удалось сделать Intel - корпорация уже предложила свои продукты рынку. Вскоре следует ожидать объявлений от IBM, за ними последуют Mellanox, Broadcom, Ciena, Juniper и ряд других крупных компаний. Параллельно скупаются добившиеся успеха стартапы. Процесс пошел, но не быстро. Трудности вызваны тем, что создание новых продуктов требует значительных средств и времени, что дает преимущества крупнейшим вендорам.

Четыре уровня коммуникаций

Технологии кремниевой фотоники уже сегодня позволяют создавать 100 Гбит Ethernet, а в обозримом будущем 400 Гбит и 1 Тбит. Такие скорости обмена данными открывают возможности для конвергенции современных архитектур в качественно новые — на уровне стойки RSA (Rack-Scale Architecture) и на уровне ЦОДа ESSA (Extended-scale system architecture). Предел первой ограничен так называемым подом (одной или несколькими стойками), вторая охватывает весь ЦОД. Компоненты этих инфраструктур связываются удаленно по шине PCIe (PCIe-bus interconnects at a distance).

Средствами силиконовой фотоники создается иерархическая система коммуникаций, разделенная на 4 уровня:

Уровень 1 «Чип»: Внедрение технологий кремниевой фотоники внутрь чипа интересно по нескольким соображениям:

Чипов существенно больше, чем стоек, следовательно, потребность в приемниках и передатчиках велика, и эти технологии будут быстро развиваться.
Существенно повысятся скорости обмена вне чипа, поэтому могут заметно измениться принципы системного проектирования.
В отдаленной перспективе можно представить, что и между компонентами чипа могут использоваться оптические коммуникации, например для обмена между ядрами. Но на таких коротких расстояниях медь надолго сохранит свои позиции.

Уровень 2 «Платформа»: Платформой для сборки ЦОДов могут быть традиционные 19-ти дюймовые стойки или сборки из них, называемые подами (от английского pod — оболочка, контейнер, сборка ракетных двигателей). Атомами, из которых собираются платформы, становятся отдельные чипы, в прошлом остаются такие компоненты, как серверы и классические материнские платы. Переход от серверов к платформам получил название дезагрегации серверов, ему посвящена отельная публикация TAdviser.

Уровень 3 «ЦОД»: Дальнейшее продвижение дезагрегации на уровень ЦОДа станет возможным при увеличении области действия кремниевой фотоники на дистанцию от 500 метров до 10 километров.

ЦОД можно будет рассматривать как единую вычислительную мощность (single computing entity) и собирать в нем серверы по требованию.

Уровень 4 «Телеком»: При передаче данных на дальние расстояния и внутри городской среды (metro) оптика давно и успешно используется. Применение кремниевой фотоники не приведет к каким либо радикальным переменам, но возможно повысится эффективность и качество.

По оценкам аналитиков, в 2018 году заканчивается период затишья, и в 2019-21 годах наступит переломный момент, за которым последует широкое распространение кремниевой фотоники.

История

2024

Открытие направление нелокальной фотоники в России

В России в конце августа 2024 года объявлено об открытии нового научного направления — нелокальная фотоника. Разработка принадлежит ученым Казанского федерального университета (КФУ) и их коллегам из университета Пердью (США). Это новое направление в физике основывается на исследовании двойных систем «кристалл–жидкость», которые демонстрируют аномальное увеличение показателя преломления света. Данные материалы могут стать основой для будущих технологий оптоэлектроники и квантовых вычислений.

Результаты исследования были опубликованы в научном журнале Optical Materials Express, и редакция выбрала иллюстрацию этой работы для обложки. Исследователи обнаружили, что двойные системы «кристалл–жидкость», создаваемые с использованием наночастиц и термооптического отжига, преодолевают фундаментальные ограничения показателя преломления среды. Это открытие имеет большие перспективы для прикладной науки.

По словам руководителя научно-исследовательской лаборатории «Квантовая фотоника и метаматериалы», профессора Сергея Харинцева процесс рассеяния света в этих системах приводит к появлению пространственно-сжатых фотонов, которые обладают значительно большим импульсом, сопоставимым с импульсом электрона. Этот феномен усиливает взаимодействие между фотонами и электронами в твердых телах, что приводит к высокому показателю преломления, который выходит за привычные физические границы.

Этот новый эффект откроет двери для развития технологий в таких областях, как оптоэлектроника и квантовые вычисления. Высокий показатель преломления создает возможности для увеличенной фотонной плотности состояний, оптического конфайнмента и делокализации оптического ближнего поля. Все это позволит создавать более совершенные устройства для сенсорики, нейроморфных вычислений и оптической визуализации.^[4]

В России создали фотонный вычислитель, который обрабатывает видеоданные в сотни раз быстрее обычных нейросетей

В России был создан экспериментальный образец фотонного вычислителя, способного обрабатывать видеоданные в сотни раз быстрее, чем традиционные нейросети на основе полупроводниковых компьютеров. Об этом стало известно в августе 2024 года. Разработку осуществили ученые Самарского университета имени Королева, и она уже готова к первым тестам. Подробнее здесь

Премьер-министр Михаил Мишустин поручил разработать комплексную программу развития фотоники

Председатель правительства России Михаил Мишустин дал поручение о разработке комплексной программы развития фотоники до 2030 года. Это решение было принято по итогам рабочей поездки премьер-министра в Нижегородскую область, состоявшейся в мае 2024 года.

По данным ТАСС, Министерству промышленности и торговли, Министерству науки и высшего образования, Министерству финансов России, а также государственной корпорации «Росатом» было поручено представить проект программы к 1 июля 2024 года. Инициатива создания такой программы, выдвинутая Росатомом и Минпромторгом, получила поддержку главы правительства во время совещания в Сарове – одном из ключевых центров атомной науки страны.

Михаил Мишустин

Необходимость разработки программы обусловлена широким применением фотонных технологий в различных отраслях экономики. Фотоника находит применение в машиностроении, медицине, телекоммуникациях и сельском хозяйстве. На основе этих технологий создаются датчики, сенсоры, дисплеи и проекционные системы. Кроме того, фотоника открывает новые перспективы в развитии беспилотного транспорта, космической отрасли и исследований в области искусственного интеллекта.

Михаил Мишустин отметил активное развитие рынка техники, использующей фотонные технологии. В 2023 году его объем достиг 20 млрд долларов США (около 2 трлн рублей), при этом ежегодный прирост составляет 10%. Премьер-министр поставил амбициозную задачу – вывести Россию в десятку стран-лидеров по производству такой техники.

Разработка комплексной программы развития фотоники призвана решить ряд существующих проблем в отрасли. Так, в ноябре 2023 года на стратегической сессии правительства Михаил Мишустин обращал внимание на нехватку технологических решений в области проектирования, в том числе в сфере фотоники. Он призвал к объединению усилий промышленников и разработчиков для создания полного цикла проектов – от идеи до готового реализованного решения.^[5]

Премьер-министр РФ Михаил Мишустин поручил вывести Россию в ТОП-10 на рынке фотоники

Премьер-министр Михаил Мишустин поручил вывести Россию в ТОП-10 на рынке фотоники. Об этом председатель правительства сообщил 20 мая 2024 года на совещании по вопросу достижения технологического суверенитета в области фотоники.

Как отметил Мишустин, на федеральном уровне скорректирована стратегия научно-технологического развития и в логике этой стратегии необходимо подготовить национальные проекты технологического суверенитета. По его словам, этот комплекс мер ускоренными темпами будет развивать науку, технологии и технику.

Отмечается, что Мишустин поддержал предложение главы «Росатома» Алексея Лихачева о создании программы развития фотоники до 2035 года Премьер-министр подчеркнул, что фотоника играет значительную роль в мире: до 30% рынка используется в материалах, около 20–23% рынка – в телекоммуникациях. Кроме того, глава правительства отметил вопрос создания литографов, которые позволяют создавать современную продукцию электроники.

То, что на сегодняшний день такие заделы здесь делаются, послужит, уверен, такой хорошей опорной базой для нашей промышленности, для того чтобы так или иначе все задачи, которые поставлены перед нами президентом по достижению промышленного и технологического суверенитета, были выполнены, – подчеркнул премьер.

По его словам, рынок фотоники - один из самых перспективных в мире. Такие устройства нужны для беспилотных летательных систем, медицинского оборудования, для развития искусственного интеллекта, космических технологий, средств производства и автоматизации. Кроме того, фотоника широко применяется в станках, в электронном машиностроении, в телекоме и сельском хозяйстве. На основе фотоники делаются датчики, сенсоры, дисплеи и проекции, добавил Мишустин.^[6]

2022: В Москве создали кластер фотоники

24 октября 2022 года было объявлено о создании межотраслевого кластера фотоники в Москве. Он заработал на базе Московского инновационного кластера. Подробнее здесь.

2021: Создание ПО, сокращающего время создания оптических чипов с двух лет до полугода

12 августа 2021 года стало известно о создании в России программного обеспечения, сокращающего время создания оптических чипов с двух лет до полугода. Речь идет о системе под названием Difra lab, которую разработали специалисты Пермского государственного национального университета при поддержке Центра компетенций НТИ «Фотоника». Подробнее здесь.