Физики из МФТИ нащупали предел скорости работы световых компьютеров

"Шумы играют ключевую роль чуть ли не в половине всех бытовых устройств: начиная с мобильных телефонов и телевизоров и заканчивая оптоволоконными сетями. Усиление сигнала неизбежно приводит к ухудшению соотношения сигнал-шум. Причём чем больше усиление или, как в нашем случае, компенсируемые потери, тем больше шума следует ожидать на выходе. В плазмонных волноводах с усилением это проявляется наиболее ярко", — рассказывает Дмитрий Федянин из МФТИ в Долгопрудном, чьи слова приводит пресс-служба вуза.

В последние годы зарубежные и отечественные ученые все активнее работают над созданием световых аналогов современных полупроводниковых компьютеров, в которых роль носителя информации будет играть свет, а не электрический ток. На пути создания таких вычислительных устройств, которые в теории будут в сотни и тысячи раз быстрее обычных компьютеров и потреблять заметно меньше энергии, существует несколько очень сложных проблем, которые ученые сейчас постепенно решают.  Одну из них физики из МФТИ недавно решили, придумав, как можно заставить свет бесконечно путешествовать внутри чипа, периодически усиливая его.

Эта проблема в работе световых компьютеров, как рассказывает Федянин и его коллега Андрей Вишневый, заключалась в том, что свет быстро гаснет внутри микроскопических волноводов, позволяющих "длинным" световым волнам двигаться через микроскопический чип. Для борьбы с этим угасанием ученые сегодня работают над созданием технологий усиления света, неизбежно вносящих помехи в сигнал.

Вишневый и Федянин решили проверить, какие фундаментальные ограничения налагают эти помехи на скорость передачи данных внутри таких чипов.  Для этого российским физикам пришлось разработать теорию, описывающую появление этих "световых" шумов, и создать на ее основе компьютерные модели, имитирующие процесс их возникновения.

Как объясняют исследователи, главным источником шумов в световых компьютерах является так называемое "спонтанное излучение" – склонность электронов, которые ученые прокачивают через стенки плазмонных световодов, "несанкционированно" терять энергию и испускать частицы света. Эти частицы света обычно обладают случайными свойствами и широким спектром, благодаря чему они забивают световой сигнал и мешают определению того, несет ли текущий импульс логическую единицу или ноль.

Расчеты Федянина и Вишневого показывают, что эти шумы резко усиливаются при повышении коэффициента усиления света, что резко ограничивает их применимость или скорость работы из-за необходимости корректировать ошибки, возникающие при передаче данных. Часть из этих шумов можно отфильтровать, тогда как другие всегда будут оставаться в сигнале и ограничивать его применимость.

В целом, по словам физиков, скорость передачи данных на один канал связи в таких чипах не будет превышать скорость работы полупроводниковых чипов в более чем 500 раз при одинаковых размерах световода и металлической дорожки внутри процессора.

Как надеются Вишневый и Федянин, разработанная ими теория и модели помогут инженерам подобрать наиболее оптимальные материалы и параметры для изготовления световодов, обеспечивающие минимальные шумы при передаче сигнала, максимальную скорость передачи данных и низкое энергопотребление.

Источник: РИА Новости