Мы стремимся к созданию всё более быстрых компьютеров, и свет, обладающий максимальной скоростью во Вселенной, кажется идеальным кандидатом для вычислений. Однако в вычислительных системах важна не только скорость передачи данных, но и точное время их поступления. Хотя существуют методы замедления света, современное оборудование рассчитано на определённые скорости и фиксированный дизайн. Возникает задача: как управлять временем прихода световых сигналов, используя одну и ту же аппаратную платформу?

Программируемая фотонная схема

Исследователи из Сеульского национального университета и Университета Сеула разработали программируемую фотонную схему, способную динамически регулировать время прохождения световых импульсов через чип. Это позволяет контролировать момент их прибытия. В отличие от устройств с фиксированной задержкой, определяемой при производстве, новая система может быть перенастроена для изменения задержки, полосы пропускания и частотных характеристик оптического сигнала.

Преимущества фотоники

Традиционные процессоры (CPU и GPU) передают данные в виде электрических сигналов, где электроны движутся по металлическим соединениям. С ростом вычислительных потребностей и размеров процессоров, а также систем искусственного интеллекта, передача данных по металлу требует всё больше энергии и создаёт узкие места по пропускной способности.

Фотоника преобразует данные в световые сигналы. Фотоны способны передавать большие объёмы информации с высокой скоростью и меньшими тепловыми потерями. Однако высокая скорость света не всегда желательна в вычислениях, поскольку разные сигналы могут проходить по разным путям и выполнять различные операции до момента, когда потребуется их одновременное использование. Для этого сигналы необходимо задерживать, синхронизировать, буферизовать и фильтровать — задачи, которые электроника решает легко, а фотоника — с трудностями.

Технология CRIT и её ограничения

Одним из методов задержки света является прозрачность, индуцированная связанными резонаторами (CRIT). Эта технология использует оптические резонаторы — микроскопические структуры, позволяющие свету определённых частот циркулировать внутри. При определённых условиях возникает интерференция, создающая узкое окно, через которое световые сигналы проходят с существенной задержкой. Однако после настройки структура резонаторов фиксируется, и для изменения параметров часто требуется новый чип.

Новое решение: программируемая архитектура

Исследователи предложили сделать поведение чипа программируемым, введя настраиваемые элементы, позволяющие перенастраивать сеть резонаторов после её создания. В архитектуру добавлены два регулируемых петлевых соединителя, что позволяет изменять взаимодействие резонаторов и обеспечивать различные оптические характеристики на одной и той же схеме. В теоретических моделях удалось изменять ширину и форму полосы пропускания, управлять эффективностью прохождения света и настраивать время задержки оптических импульсов.

Численные симуляции показали, что задержку можно динамически изменять прямо во время работы схемы. Архитектура также позволяет управлять частотой передаваемого света, что может устранить необходимость в отдельных компонентах для преобразования частоты в некоторых системах. Такая комбинация функций делает концепцию привлекательной: вместо использования отдельных оптических компонентов для задержки, фильтрации и других задач, программируемая сеть резонаторов может быть перенастроена для выполнения различных функций.

Практическая реализация и перспективы

Для проверки работоспособности концепции команда смоделировала конструкцию на платформе фотонных интегральных схем из нитрида кремния и провела трёхмерные электромагнитные симуляции с учётом реальных дефектов: потерь в материалах, различий между резонаторами, нежелательного рассеяния, вариаций связи, фазовых ошибок и теплового взаимодействия между компонентами. Архитектура показала работоспособность несмотря на эти неблагоприятные эффекты, что свидетельствует о возможности её реализации с помощью существующих технологий фотонного производства.

Если удастся реализовать такие программируемые системы задержки на практике, их можно будет использовать для синхронизации оптических сигналов, создания регулируемых линий задержки и буферов, изменения полосы пропускания и преобразования частоты. Эти функции особенно востребованы в оптических коммуникациях, фотонных процессорах для искусственного интеллекта и других системах, где требуется точное время поступления большого количества световых сигналов.

В настоящее время работа ограничивается теорией и симуляциями, но показано, что такую схему можно построить. Следующим этапом станет изготовление реальных устройств и экспериментальная проверка, а затем расширение концепции до более крупных программируемых фотонных схем. Возможность программируемой задержки света может стать важным шагом к более гибким вычислениям на основе фотоники.