Fotonų proveržis. Kaip šviesa taps ateities kompiuterių pagrindu

Sakyti, kad tai grynai akademinis universiteto mokslininkų pratimas – sukurti kuo egzotiškesnį įtaisą, parašyti apie jį mokslinį straipsnį ir pamiršti – būtų neteisinga. Didelės korporacijos tokią egzotiką vertina netgi labai rimtai. Gegužę savo fotoninio lusto pusfabrikačius (ne procesorius, o tiesiog siųstuvus – imtuvus) parodė IBM, o Hewlett Packard jau prieš keletą metų planavo iki 2017-ųjų išleisti fotoninius procesorius HP Corona superkompiuteriams.

Šių technologijų tikslas nėra šalia lovos stovinčiame kompiuteryje dar geriau rodyti jums filmus ir feisbukus (na, tai irgi, tačiau prioritetai kiti). Labiausiai ši technologija pasitarnautų superkompiuteriams, turintiems šimtus ir tūkstančius procesorių, kurie paraleliai vykdo sudėtingas užduotis ir kuriems apsikeitimo duomenimis sparta kritiškai svarbi. Pavyzdžiui, Google dirbtinis intelektas AlphaGo, neseniai įveikęs žmogų go žaidimo turnyre: ta pati Deep Learning technologija, paremta neuroniniais tinklais, tinka atpažinti vaizdų atpažinimui fotografijose ar medicininių diagnozių nustatymui.

Pirmoji specializuota Deep Learning sistema, kurią šiais metais po 129 tūkst. dolerių pradėjo pardavinėti NVidia – tai daugybė tūkstančių procesorių branduolių, išskirstytų į bendrą prieigą prie atminties turinčius blokus. Jeigu tie patys branduoliai informacija keistųsi, naudodami šviesą – sistema veiktų dar skaičiaus eilėmis sparčiau, nei dabartiniai 170 teraflopai.

Žodis „fotonika“ sugalvotas, remiantis analogija su „elektronika“. Fotonai, šviesos dalelės, daugeliu atžvilgių geriau pritaikyti informacijos perdavimui nei elektronai. „Dabar informacija mikroschemose perduodama a elektros signalais, variniais takeliais. Tai tas pats, kas perduoti ją telefono laidu, tik lusto viduje. Tačiau žinome, kad visi šiuolaikiniai transatlantiniai kabeliai – iš optinių gijų. Su kuo tai susiję? Su tuo, kad optinio sujungimo pralaida penkiomis skaičiaus eilėmis didesnė už elektros laidų“, – pasakoja Dmitrijus Fedianinas iš MFTI nanooptikos ir plazmonikos laboratorijos.

Šviesa ne ką greitesnė už elektrą – abiejų tipų signalai sklinda šviesos greičiu (tiksliau, beveik šviesos greičiu). Tai iš kur toks pranašumas? Fedianinas pateikia tokį palyginimą: „Elektros jungtys – traukinai, važiuojantys 60 kilometrų greičiu, kuriuose telpa tik po vieną keleivį. Jis įlipa į vagoną, traukinys pajuda. O kas vyksta fotonikos atveju? Galime pasiųsti traukinį, kuriame telpa 100 000 keleivių – nors jis ir važiuoja tokiu pačiu 60 km/h greičiu“.

Lustuose yra savi optinių kabelių analogai – fotonų bangolaidžiai: dažniausiai 600 nm pločio ir 300 nm aukščio silicio strypelis. Tiesa, jei įprastame optiniame kabelyje šviesa sklinda jo vidumi, tai čia fotonai skrieja bangolaidžiu kaip karoliukai siūlu: „Fotonas viduje netelpa – jis išsikiša iš silicio šerdies ir įprastas jo skersmuo būna maždaug vienas mikrometras“, – sako Fedianinas.

Elektronika ilgai stengėsi išnaudoti procesorių ir atminties miniatiūrizavimo galimybes – dešimtajame praėjusio amžiaus dešimtmetyje naudota 350 nm technologija, paskui 180 nm ir taip iki 22 nanometrų 2008 metais ir 10 nanometrų 2015-aisiais: toliau ypatingos pažangos nesitikima, tačiau jis be perstojo vyko 40 metų iš eilės. O fotonika su galimybių riba susidūrė iš karto: 600 nm bangolaidžio, kuriame fotonui jau ankšta, negalima smarkiai sumažinti: „Fotonas erdvėje užima tam tikrą, šviesos bangos dydžio eilės, erdvę – tai kyla iš Heizenbergo neapibrėžtumo principo. Tad, norint toliau vystyti fotoninius įrenginius, teks įveikti štai tokius toks fundamentalius barjerus“.

Plazmonikai svarbiausias metalas – auksas, kurio paviršiuje geriausiai elgiasi suspausti fotonai.

Ką daryti? Pagalbon skuba dar viena „onika“ – plazmonika (kuria ir užsiima Fedianino grupė MFTI). Pagrindinę šio mokslo idėją galima suformuluoti taip: jei Mikė Pūkuotukas netelpa į pernelyg siaurą urvą, jam neprošal suplonėti. Miniatiūriniams bangolaidžiams reikia sumažintų fotonų: „Mes paverčiame tūrines šviesos bangas, fotonus, į „plokščias“ bangas metalo paviršiuje – paviršiaus plazmonus poliaritonus. Pereiname nuo įprastinės trimatės optikos į dvimatę. O dvimatės optikos dėsniai kiti, jie leidžia suspausti šviesą iki daug mažesnių matmenų, nei šviesos bangos ilgis. 10, 20, 30 kartų“.

Plazmonikai svarbiausias metalas – auksas, kurio paviršiuje suspausti fotonai elgiasi geriausiai. Ir aukso kaina gali tapti dar vienu barjeru, trukdančiu tokius lustus, net jei fizikams viskas pavyks, plačiai štampuoti ir montuoti 100$ kainuojančiuose planšetiniuose kompiuteriuose. Tačiau pagrindinė problema netgi ne aukso kaina, o tai, kad iš jo neįmanoma sukurti tų nanometrinių plazmoninių komponentų, kuriais šviesa suspaudžiama. Auksas – taurusis metalas, nereaguojantis medžiagomis, kuriomis paremti visi pramonės technologiniai procesai. Tad štampuoti auksinius plazmoninius komponentus paprasčiausiai nepavyks.

„Pastaruosius ketvertą metų bandoma rasti kokią nors alternatyvią medžiagą. Iki pat titano nitrido – šia medžiaga dengiami cerkvių kupolai. Jie, aišku, blizga, tačiau 95 atvejais iš šimto tai ne auksas, o titano nitridas“. Tačiau netikras auksas ir plazmonikoje smarkiai nusileidžia tikram.