В Зеленограде готовят площадку для производства фотонных интегральных схем (ФИС), которые будут применяться в трансиверах — устройствах для приема и передачи данных в сетевом оборудовании. Трансиверы преобразуют оптический сигнал в электрический, проводят его оцифровку и превращают в обычный информационный поток. Они незаменимы в оптических каналах связи, в которых информация передается посредством импульсов света.
Оптические линии, в свою очередь, — это прогрессивное настоящее телекома. Оптоволокно дает десятикратное или даже стократное преимущество в скорости и объеме передачи информации по сравнению с традиционными медными проводами и, несмотря на более высокую себестоимость, скоро полностью вытеснит медь из сегмента, поскольку потребность в передаче все большего объема данных — особенно для начинающего глобальный взлет интернета вещей — постоянно растет.
Распространенность оптоволоконных каналов сегодня можно считать индикатором уровня развития телекоммуникационных сетей. Россия, впрочем, здесь отстает от мировых лидеров. Оптические кабели протянуты в городах-миллионниках, но далеко не по всей территории страны. По данным на июль 2023 года, в РФ проложено всего 0,56 км оптоволокна на душу населения — примерно такие же показатели Китай демонстрировал десять лет назад.
Для развития сети оптических линий — а такие планы, конечно, записаны в стратегии Минцифры — нужна соответствующая инфраструктура. Компоненты для нее в Россию всегда поставлялись из-за рубежа, но в последние годы новые геополитические расклады не позволяют рассчитывать на стабильный импорт. А значит, есть стимул для развития импортозамещения.
Опытное производство трансиверов планируется запустить в Зеленограде в 2025 году. Техническое задание на проект фотонных интегральных схем готовил Зеленоградский нанотехнологический центр (ЗНТЦ), он же впоследствии станет производить ФИС и трансиверы. Подрядчиками выступили 10 научных предприятий — изготовителей ключевых элементов: лазера, фотоприемника из германиевых слоев и электронных компонентов для обработки оптического сигнала. Несмотря на то что каждый из этих этапов российские ученые будут проходить впервые, сложностей возникнуть не должно. По словам руководителя технологического направления интегральной фотоники ЗНТЦ Константина Певчих, «сегодняшние цели не прорывные, а догоняющие, четко ложащиеся в сегмент локализации и технологической независимости». Но компания обещает, что это только начало. Созданный год назад в Москве межотраслевой кластер фотоники, участниками которого стали ЗНТЦ, «Кибертех», «Технополис», Московский институт электронной техники, «Сколтех» и еще порядка 40 организаций, нацелен именно на прорывы. Кстати, в этот же период европейский фонд Photon Ventures выделил подразделение PhotonDelta, которое уже привлекает государственные и частные инвестиции для сотен стартапов, работающих над созданием фотонных чипов. Вокруг фотонных технологий сейчас много хайпа, и связан он отнюдь не с сетями 6G и сверхбыстрым интернетом, а с прогнозируемым взрывным ростом вычислительных мощностей компьютеров для обработки задач искусственного интеллекта.
Мощность и энергия
Необходимость «фотонной революции» очевидна: для обучения нейросетей нужны все более производительные чипы, а прогресс микроэлектроники, движимый простым увеличением числа транзисторов на интегральной схеме, приближается к физическому пределу. По данным PitchBook, в 2021 году стартапы, которые специализируются на кремниевой фотонике, привлекли 750 млн долларов инвестиций — вдвое больше, чем в 2020 году, и в 42 раза больше, чем в 2016-м. Старший аналитик компании по новым технологиям Брендан Берк ожидает, что фотонные процессоры станут использоваться в центрах обработки данных уже в 2025 году, заняв к этому времени объем рынка, эквивалентный 3 млрд долларов, с перспективой быстрого роста.
Главный ожидаемый профит инновации — увеличение скорости обработки информации минимум на четыре порядка. В фотонных процессорах для передачи и обработки данных используются не электроны, а фотоны (традиционные металлические соединения в чипах потребуется заменить на световые волноводы). Они передают информацию буквально со скоростью света — около 300 тыс. километров в секунду, в то время как скорость электрического импульса по чипу определяется временем перезарядки цепи и оказывается в 20–30 раз меньше. Кроме того, частота оптического излучения позволяет создать большее число каналов связи, а следовательно, производить больше операций в секунду.
Производительность фотонного ускорителя может быть на три порядка выше, чем у классического кремниевого процессора, что позволит использовать его для ускоренного машинного обучения и решения задач искусственного интеллекта
Неоспоримым плюсом фотонных процессоров является и меньшее потребление энергии. В привычных нам устройствах течет электрический ток, что приводит к выделению тепла и связанной с этим необходимости расходовать дополнительное электричество на охлаждение оборудования. В итоге энергопотребление больших дата-центров постоянно растет и сейчас, по разным данным, составляет от 2 до 5% энергозатрат всей планеты. По оценкам главного научного сотрудника ВНИИ экспериментальной физики (ГК «Росатом», Саров) Сергея Степаненко, по сравнению с компьютером на электронах фотонное устройство аналогичной производительности будет потреблять энергии примерно в 10 тыс. раз меньше.
Кто в игре
Почему же при столь высокой эффективности оптических технологий до сих пор не появился компьютер на фотонах для массового пользователя, тем более что физики стремятся к этому с 1980-х годов? Очевидно, задача весьма сложная. Для создания фотонного процессора нужен транзистор абсолютно новой конфигурации, по функционалу похожий на обычный электронный. Одной из самых трудоемких задач при этом становится разработка управляющего поляризационного экрана — своеобразного вентиля, который будет пропускать либо блокировать световой луч в зависимости от команд системы. Некоторые группы рассматривают возможность появления принципиально иного чипа, не завязанного на двоичную систему, и это тоже «упражнение со звездочкой». Наверняка есть и множество других препятствий, но, как большинство технологических нюансов, они не обсуждаются публично — или уже преодолены. По крайней мере, анонсы, предвещающие приближение фотонной эры в компьютерах, публикуются регулярно. Так, в сентябре 2023 года исследовательское подразделение Microsoft представило первый аналоговый оптический компьютер для решения практических задач. Данные в его узлах преобразуются в пучки света, интенсивность которых зависит от исходной информации. Свет от множества источников с высочайшим параллелизмом направляется на матрицу, каждая ячейка которой модулирует лучи в соответствии с выбранным алгоритмом. Происходит аналоговое преобразование света, эквивалентное умножению или сложению в двоичной системе. В результате свет определенной интенсивности считывается датчиком в каждом окошке матрицы и переводится в цифру для дальнейшей обработки. На сегодняшний день это наиболее близкий к коммерческому успеху прототип. Он разработан по заказу банка BARCLAYS и, как пишет в релизе Microsoft, продемонстрировал успешное решение проблемы оптимизации при обработке банковских транзакций, что обеспечило ему репутацию перспективной технологии для финансовых рынков.
Почти одновременно с американцами ученые из китайского Университета Цинхуа заявили о разработке полностью аналогового фотоэлектронного чипа ACCEL «для революции в задачах высокоскоростного машинного зрения». Чип интегрирует оптические аналоговые вычисления (ОАС), управляя световыми волнами, и электронные аналоговые вычисления (EAC), которые вместо работы с цифровыми сигналами в виде нулей и единиц используют постоянно меняющиеся аналоговые сигналы. Оба метода дают преимущества для определенных видов вычислений и способствуют решению задач высокоскоростного зрения. ACCEL достигает системной энергоэффективности 74,8 петаоперации в секунду на ватт, это более чем на три порядка выше, чем у современных графических процессоров. Примечательно, что китайцы считают свой чип фактически готовым к использованию. Авторы статьи, опубликованной в Nature, заявили, что «важно воплотить эту вычислительную архитектуру следующего поколения в реальные приложения, отвечающие главным потребностям общества».
Свое слово в фотонике желают сказать практически все ключевые игроки в области компьютерной инженерии, от научных центров до корпораций и разогнавшихся стартапов, так что борьба за новую рыночную нишу будет жесткой
Аналоговые фотонные ускорители также разрабатывают в Сарове, в лаборатории фотонных вычислительных устройств Национального центра физики и математики. «Эти устройства могут дать существенный эффект при решении многих прикладных задач — в частности, машинного обучения. Предварительные исследования показывают, что производительность фотонного ускорителя окажется на три порядка выше, чем у классического кремниевого процессора, при решении задач перемножения матриц, что позволяет использовать их для ускоренного машинного обучения и решения задач ИИ», — отмечает научный руководитель центра Александр Сергеев. Первые прототипы полноценных цифровых фотонных процессоров центр обещает представить через пять-шесть лет.
В прошлом году ученые НИУ МИЭТ и МПГУ заявили о разработке энергонезависимых фотонных элементов на основе тонких пленок халькогенидного соединения германия, сурьмы и теллура, которые открывают путь к созданию отечественной системы вычислений, работающей по принципу человеческого мозга. В настоящее время проектированием таких чипов занимается ЗНТЦ и научно-производственный комплекс «Технологический центр», у которых есть оборудование для апробации решений в производственном масштабе.
В 2020 году патентную заявку на фотонный чип подала AMD. В документе описан процесс создания новой системы, интегрирующей фотонные и кремниевые технологии с органическим слоем перераспределения.
В 2018 году ВНИИ экспериментальной физики запатентовал полноценный фотонный компьютер, состоящий из электрической и световой частей (его можно назвать гибридным). Алгоритмы и архитектура этого устройства построены так, что набор инструкций переводится в лазерные импульсы, которые по волноводам попадают в процессор, где, как электроны в обычном чипе, подвергаются логическим операциям. Далее лучи покидают процессор и возвращаются в электронную часть компьютера — там оптическая информация вновь преобразуется в электрическую и оказывается доступной пользователю. Авторы разработки тогда заявляли, что задача конструктивного воплощения машины должна быть решена в течение пяти‒десяти лет. «Если фотонный компьютер не сделаем мы, то сделают другие», — говорил в интервью «Российской газете» Сергей Степаненко.
В 2015 году свою версию фотонного процессора представил Массачусетский технологический институт. Их чип размером 3 × 6 мм содержит два стандартных вычислительных ядра с более чем 70 млн транзисторов и 850 элементов для передачи света. Он изготовлен с применением традиционных для микроэлектроники кремния и германия на заводе, который занимается серийным выпуском современных микросхем. «Это первый процессор, использующий фотоны для связи с внешним миром. Ни один другой чип не обладает фотонной системой ввода/вывода», — прокомментировал руководитель проекта Владимир Стоянович, доцент кафедры электротехники и компьютерных наук МИТ. На базе исследования уже создано два стартапа — SiFive и Ayar Labs, последний в 2023 году привлек 25 млн долларов инвестиций.
Известно также, что компания TSMC объединилась с Broadcom и Nvidia для создания фотонных чипов, которые обеспечат огромную скорость передачи данных для вычислений искусственного интеллекта. Как сообщает издание Taiwan Economic Daily, TSMC выделила для этого проекта 200 специалистов, которые займутся развитием технологии кремниевой фотонной интеграции в высокоскоростные вычислительные чипы. Вице-президент компании Ю Чжэньхуа заявил, что фотонные чипы позволят решить ключевые проблемы отрасли: обеспечение энергоэффективности и увеличение вычислительной мощности.
Гибридные процессоры, которые используют оптические и электронные технологии, демонстрировали также компании IBM и Fujitsu. А первой, еще в 2008 году, о готовности выпускать фотонные чипы для массового рынка заявила Intel — но, насколько известно, к настоящему времени она избавилась от непрофильных активов.
Битва за нишу
Между тем «игра со светом» только начинает набирать обороты. Издержки в ней будут большими: далеко не все разработки получат инженерное воплощение. Да и борьба за рыночную нишу будет жесткой, особенно если учесть, что свое слово в фотонике желают сказать практически все ключевые игроки в области компьютерной инженерии, от научных центров до корпораций и разогнавшихся стартапов. Ставить на эти авантюрные проекты, в которых пока не было победителей, — большой риск, но потенциально и большие прибыли. Несмотря на некоторый скепсис, исходящий в основном от представителей полупроводниковой индустрии (в частности, президент РАН, в прошлом гендиректор ОАО «НИИМЭ и Микрон» Геннадий Красников на форуме «Микроэлектроника-2023» заявил, что у традиционной микроэлектроники не будет альтернативы еще как минимум 15 лет), потребность в новых конфигурациях вычислительных мощностей возрастает экспоненциально. «Такие вещи, как ChatGPT, повысили ставки на технологии фотоники», — отмечает Чарльз Вуйшпард, руководитель Ayar Labs.
Однако при всем драйве, связанном с фотонными чипами, стоит признать, что о полном вытеснение кремниевых устройств в ближайшие годы речи действительно не идет — хотя бы потому, что сделать классическую микросхему гораздо проще и дешевле. Ситуация будет меняться по мере создания надежной элементной базы фотоники и развития соответствующей инфраструктуры для ее серийного производства. Хотя и на этом этапе останутся области, где не понадобятся рекордные скорости и кремниевые технологии окажутся более удобными. Но очевидно, что фотоника займет свою прибыльную нишу.
