Скорость передачи данных в нанофотонных микропроцессорах увеличится в 500 раз
Группа исследователей из МФТИ создала теорию, позволяющую точно предсказывать шумы, возникающие при усилении фотонных и плазмонных сигналов в наноразмерных схемах. Учёные создали на её основе алгоритмы расчёта максимальной скорости передачи данных внутри оптоэлектронных микропроцессоров ближайшего будущего и нашли фундаментальные ограничения на пропускную способность для них. Соответствующая статья опубликована в журнале Physical Review Applied.
В настоящий момент по всему миру активно исследуется возможность создания принципиально нового класса устройств — плазмонно-электронных микросхем. В них компактные плазмонные компоненты должны применяться для передачи данных между разными вычислительными ядрами одного процессора на сверхвысоких скоростях. Проведённые исследователями расчёты показали, что в активном плазмонном волноводе размером 200 на 200 нанометров можно эффективно передавать сигнал на расстояние до 5 миллиметров. На первый взгляд это немного, но такое расстояние является типичным для дистанций между ядрами современных процессоров.
Рассчитанная исследователями скорость передачи информации от ядра к ядру — более 10 гигабит в секунду на один спектральный канал. Каждый такой канал работает на определённой фиксированной длине волны, поэтому всего спектральных каналов в одном наноразмерном волноводе умещают до нескольких десятков (используя разные длины волны). Максимальная скорость передачи информации по существующим, электрическим соединениям (медная дорожка) тех же размеров — всего 20 мегабит в секунду, 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 нанофотонного интерфейса. Они также продемонстрировали, что использование плазмонов для передачи данных между ядрами процессора позволит сделать новые устройства на этой базе не только компактными, но и устойчивыми к ошибкам и при этом крайне быстро обрабатывающими большие массивы данных. Всё это позволяет надеяться, что уже в ближайшем десятилетии случится "плазмонный прорыв" в микроэлектронике.
Проведённая исследователями работа важна потому, что устройства с плазмонной передачей информации — крайне перспективное направление и в оптоэлектронике, и в электронике в целом. Плазмонами называют коллективные колебания электронов на поверхности ряда материалов (например, металлов). Каждый из нас знаком с ними по так называемому металлическому блеску. Благодаря тому, что электроны в плазмонах довольно компактны, но при этом взаимодействуют с фотонами света, плазмоны могут передавать значительное количество информации в довольно компактном по размерам канале. Но у них есть и проблема — они не распространяются в "холодном канале", потому что без активной подпитки колебания электронов быстро затухают. В связи с этим им нужны не обычные "провода", а активные волноводы. Они не просто направляют сигнал от источника к приёмнику, но и подпитывают его за счёт проходящего через устройство электрического тока.
Добавление энергии извне компенсирует потери энергии плазмоном во время его распространения. Однако усиление сигнала для компенсации потерь даёт фундаментальную проблему. Любой усилитель не только увеличивает амплитуду всего, что поступает на его вход, но и сам добавляет помехи, считываемые в сигнале на выходе. В данной работе учёные рассчитывали, до каких пор имеет смысл усиливать подпитку сигнала в активном волноводе для плазмонов, а после какого рубежа такая подпитка начнёт давать слишком много шума и сделает передачу плазмонов бессмысленной. Такие расчёты не проводились раньше в силу того, что они требуют сложного анализа как в области оптоэлектроники, так и квантовой физики, чьи эффекты становятся заметными на таких малых масштабах.