В Ayar Labs, компании, созданной выходцами из МТИ, разработали оптоэлектронные чипы, в которых вычисления выполняются традиционным образом, в кремнии, а данные передаются не по медным проводникам, а оптическим способом.

Такие процессоры способны примерно на 95% сократить потребление энергии при обмене данными с другими чипами, а в обширных центрах обработки данных, подобных применяемым, например, в Facebook или Amazon, расход электричества можно уменьшить на 30-50%.

В декабре Ayar Labs заключила сделку с GlobalFoundries, одним из крупнейших мировых производителей кремниевых микросхем, в рамках которой первый продукт Ayar, оптическую систему ввода-вывода Brilliant, планируется начать продавать в следующем году.

Замысел основателей Ayar состоит в том, чтобы преодолеть фундаментальное ограничение современных процессоров, которые выполняют вычисления быстрее, чем передают данные. По оптическим соединениям можно передавать сразу несколько потоков данных, за счет чего обеспечивается ускорение и экономия места. Вместе с тем, выпускать оптоэлектронные чипы можно с помощью традиционных технологий изготовления кремниевых микросхем.

Чипы Ayar, как объясняют в компании, можно также использовать в суперкомпьютерах, которые характеризуются теми же проблемами энергоэффективности и скорости передачи данных, что и дата-центры. А в дальнейшем новая технология позволит усовершенствовать оптические компоненты, применяемые в целом ряде областей, от робомобилей до медицинских приборов и систем дополненной реальности.

В фотонных микросхемах вместо электричества, как в обычной электронике, используется свет. Такие микросхемы состоят из светодиодов, линз и зеркал, а изготавливают их теми же методами, что и электронные микросхемы. Оптические технологии обладают рядом преимуществ перед электронными, но материалы, из которых делают фотонные схемы, как правило, оказываются жесткими и не подходят для устройств, предназначенных, например, для имплантации в живые ткани или крепления на кожу. Группе ученых из Массачусетского технологического института удалось найти один из возможных способов решения этой проблемы.

Ученые использовали твердый материал — халькогенидное стекло, но придали элементам спиральную форму, благодаря чему они приобрели способность гнуться и растягиваться подобно пружинам, не теряя при этом оптических свойств. Слой таких компонентов на полимерной подложке может выдержать тысячи циклов растяжения и сжатия. Впрочем, пока исследователи смогли добиться работы только отдельных компонентов. Для реального применения этой технологии нужно будет показать, по крайней мере, возможность интеграции компонентов в одном устройстве.

Использование света вместо электрических контактных цепей позволяет решить одну из важнейших проблем, возникающих при миниатюризации электронных микросхем: помех и потерь сигнала при передаче между компонентами. Однако кремний — основной материал, из которого делают микросхемы — не способен эффективно испускать свет, а материалы, хорошо работающие в оптоэлектронике (например, арсенид галлия), нельзя наносить на кремниевые подложки. Ученые из Массачусетского технологического института предложили использовать для этого сверхтонкие пленки из дителлурида молибдена. Этот новый материал из группы двумерных дихалькогенидов переходных металлов испускает свет в инфракрасном диапазоне, который, в отличие от видимого света, не поглощается кремнием.

Пленка из дителлурида молибдена под напряжением превращается в плоскостной диод, испускающий свет при пропускании тока. При изменении полярности напряжения та же самая пленка перестает проводить ток, но только до тех пор, пока на нее не попадает свет. Таким образом, элемент способен работать как в роли передатчика, так и в роли приемника. Со временем новый материал может найти применение в микроэлектронике, хотя для этого придется решить еще немало проблем.

Исследовательская группа во главе с учеными МТИ разработала процессор, способный существенно ускорить вычисления, связанные с задачами искусственного интеллекта, за счет использования света вместо электричества. По словам исследователей, многие из предлагавшихся ранее применений фотонных процессоров на практике оказались нереализуемыми, тогда как «световые» нейронные сети, предложенные авторами, могут использоваться для определенных задач глубинного обучения.

В частности, традиционные центральные и графические процессоры не всегда эффективны при выполнении большого количества операций перемножения матриц. По словам ученых МТИ, их фотонный чип, перемножающий матрицы оптически, делает это почти мгновенно и с ничтожными затратами энергии. Как объясняют исследователи, результат определяется по картине интерференции волн пучков света. Сам чип представляет собой матрицу взаимосоединенных волноводов, меняя конфигурацию которых, можно программировать процессор на выполнение различных вычислений.

Прототип процессора был продемонстрирован на задаче распознавания речи. По оценке разработчиков, чип будет быстрее обычных справляться с обработкой аналоговых сигналов, так как ему не нужен промежуточный этап преобразования в цифровую форму.

Победителем конкурса Массачусетского технологического института Entrepreneurship Competition в этом году стала компания Lightmatter, созданная на базе самого МТИ, в которой разработали полностью оптические чипы, выполняющие вычисления с помощью света, благодаря чему они работают во много раз быстрее полупроводниковых процессоров и расходуют гораздо меньше энергии.

По словам разработчиков, чипы Lightmatter, обладающие принципиально новой архитектурой, схожей с биологической нейронной сетью, способны ускорить работу систем искусственного интеллекта на порядки. Исследователи создали прототип, выполняющий несложные задачи распознавания речи.

Второе место на конкурсе досталось роботу-сантехнику Daisy. После помещения в трубу он обследует ее изнутри на наличие течей и выходит наружу на противопололожном конце. Протечку датчик Daisy обнаруживает по локальному изменению давления жидкости. По словам конструкторов, робот способен распознавать течи меньшего размера, чем позволяют современные технологии, что дает возможность обнаружить дефект еще на раннем этапе, предупредив прорыв трубы.

Третье место получил портативный туалет для отдаленных территорий без систем канализации, быстро испаряющий 95% жидкости экскрементов, оставляя лишь компактную сухую фракцию. Разделение осуществляется с помощью разработанной инженерами мембраны нового типа.

Ученые Массачусетского технологического института обнаружили, что скорость движения электронов в листе графена при определенных обстоятельствах может превышать скорость распространения замедленного света, вследствие чего происходит нечто подобное «сверхзвуковому хлопку», только вместо звука излучается интенсивный сфокусированный пучок света.

По словам физиков, этот принципиально новый способ преобразования электричества в видимое излучение является полностью контролируемым, быстрым и происходит с минимумом потерь, за счет чего открывается возможность применения графеновых систем в качестве элементов микросхем, в которых вместо электричества для передачи сигнала используется свет. По оценкам ученых, если пользоваться светом вместо электронов для переноса и хранения данных, можно будет создавать процессоры, в миллион раз более быстрые по сравнению с традиционными.

Механизм наблюдаемого в графене явления основан на эффекте, открытом советским физиком Павлом Черенковым в 1930-х годах: если частица движется в среде со скоростью большей, чем у света в этой же среде, возникает свечение. В МТИ заметили, что свет, попадая на лист графена, может замедляться в несколько раз, а электроны проходят через графен очень быстро, до 1/300 скорости распространения света в вакууме. По словам ученых, из-за близости скоростей частиц двух частиц между ними и происходят описываемые взаимодействия.

Исследователи из Массачусетского технологического института, в прошлом году создавшие материал, который способен захватывать и удерживать свет, продолжили работу, разобравшись в механизмах наблюдаемого явления. До того свет удавалось захватывать с помощью зеркал либо фотонных кристаллов. В МТИ же предложили новый метод, основанный на пропускании света через меняющий его поляризацию кристаллический материал.

Новое исследование показало, что поляризация света по мере его прохождения сквозь такой кристалл меняется вихреобразно, и как объясняют ученые, свет попадает в ловушку в центре этого вихря. По их словам, воспользовавшись данным явлением, можно сформировать векторный пучок — особый лазерный луч, с помощью которого можно было бы разгонять и сталкивать друг с другом частицы. Не исключено, добавляют исследователи, что в дальнейшем будут созданы настольные аппараты для проведения высокоэнергетических экспериментов, которые сегодня требуют многокилометровых подземных туннелей.

Наряду с этим открытие обещает возможности микроскопии с огромным разрешением и передачи гораздо большего количества каналов данных по одиночному оптическому волокну, чем сейчас.