Китайцы создали метаматериал для замедления света в 10 000 раз — это поможет процессорам перейти с электронов на фотоны

Свет в чипе: как китайским учёным удалось обуздать фотоны и что это меняет для вычислительной техники

Замедление света в 10 000 раз с минимальными потерями — не физический курьез, а прорыв, который может перевернуть архитектуру будущих процессоров. Китайские исследователи из Шэньчжэньского института передовых технологий при Академии наук КНР представили метаматериал, способный кардинально снизить энергопотребление фотонных микросхем и одновременно повысить их производительность. Результаты работы опубликованы в авторитетном издании Nano Letters.

Фотоны вместо электронов: почему это стало возможным только сейчас

Идея заменить поток электронов потоком фотонов витает в воздухе не одно десятилетие. Свет передает информацию быстрее и почти не нагревает проводники. Однако главная проблема заключалась в том, чтобы научиться управлять фотонами внутри крошечных кремниевых структур — они слишком «быстры» и неохотно взаимодействуют с материалом чипа. Для практического использования световой сигнал необходимо замедлить, сконцентрировав его энергию, но предыдущие попытки приводили к катастрофическим потерям — до 80–90% энергии рассеивалось или поглощалось.

Метаповерхность как ключ к управлению светом

Группа ученых под руководством профессора Ли Вэя предложила принципиально иной подход. Вместо того чтобы пытаться замедлить свет в объеме материала, они создали особую структурированную поверхность — метаповерхность. На кремниевой подложке с шагом в 100 нанометров были размещены периодические решетки из кремниевых дисков. Каждый такой диск работает как микроскопический резонатор, изменяющий амплитуду и фазу проходящего светового сигнала.

Ключевое свойство разработки — способность метаматериала «выталкивать» фотоны из внутренних слоев к поверхности. За счет этого поглощение света в толще кремния снижается до рекордных 20%. Более того, одиночные фотоны, случайно рассеявшиеся в процессе, подхватываются соседними резонаторами и возвращаются в общий поток. Это позволяет использовать входящий сигнал практически без потерь, что в разы увеличивает плотность энергии света в канале.

Практические перспективы: от лаборатории до дата-центра

Замедленный свет дает инженерам осязаемые рычаги управления сигналом. Если раньше фотоны проскакивали чип за пикосекунды, не успевая «отдать» информацию, то теперь время взаимодействия увеличивается на четыре порядка. Это открывает дорогу к созданию компактных фотонных процессоров, где световые сигналы можно коммутировать, маршрутизировать и модулировать с высокой точностью.

По словам разработчиков, технология метаповерхности позволяет делать фотонные чипы тонкими, как наклейка. Такие модули можно функционально укладывать друг на друга, как строительные блоки, создавая трехмерные вычислительные архитектуры. Тепловыделение при этом снижается кратно — ведь фотоны, в отличие от электронов, не разогревают проводники.

Переход от потока электронов к потоку фотонов наталкивался на фундаментальное ограничение: материалы чипов «не замечают» свет. Предыдущие попытки замедлить фотоны с помощью фотонных кристаллов или квантовых точек давали либо высокие потери, либо требовали экстремального охлаждения. Китайская разработка впервые демонстрирует, что можно добиться замедления на 10 000 единиц при комнатной температуре и с приемлемым уровнем поглощения.

Если технологию удастся масштабировать до промышленных объемов, это изменит рынок высокопроизводительных вычислений. Серверы дата-центров, потребляющие сегодня гигаватты электроэнергии, смогут работать на порядок эффективнее. Для потребительской электроники это означает появление устройств с производительностью на уровне современных суперкомпьютеров, которые не требуют массивного охлаждения и работают от батареи малой емкости. Однако до коммерциализации предстоит решить задачу интеграции метаповерхностей с существующими кремниевыми техпроцессами — это вопрос ближайших нескольких лет.