Передача данных внутри современных процессоров по-прежнему в основном основана на электрических сигналах, хотя интернет-инфраструктура уже давно использует свет в оптоволоконных линиях. Исследователи Технического университета Дании создали чрезвычайно компактный нанолазер, который в перспективе может перенести оптическую передачу данных непосредственно внутрь компьютерных чипов.
Разработка представляет собой лазер, созданный в тонкой полупроводниковой мембране. Его ключевым элементом стала нанополость, способная концентрировать фотоны и электроны в чрезвычайно маленькой области. Благодаря этому устройство работает при комнатной температуре и требует сравнительно небольшого количества энергии для генерации света.
Ученые считают, что в будущем на одном микрочипе можно будет размещать тысячи подобных лазеров. Вместо передачи информации между отдельными областями процессора электрическими импульсами данные смогут перемещаться при помощи фотонов. Такой переход потенциально позволит увеличить скорость обмена информацией и одновременно уменьшить потери энергии в виде тепла.
Один из авторов исследования, профессор Йеспер Мёрк, оценивает потенциальное снижение энергопотребления компьютеров при использовании подобной технологии примерно в два раза. Однако пока речь идет о перспективной оценке, а не о результате, уже полученном на готовом процессоре. Для практического применения исследователям предстоит решить еще несколько существенных инженерных задач.
Проблема энергопотребления становится особенно заметной по мере увеличения производительности вычислительных систем. Электрические соединения внутри современных микросхем выделяют тепло и постепенно становятся одним из ограничивающих факторов дальнейшего роста скорости. Оптическая передача данных может уменьшить эти потери и позволить создавать более производительные чипы без пропорционального увеличения их энергопотребления.
Созданный в Дании нанолазер интересен еще и своими размерами. Исследователям удалось выйти за традиционные ограничения миниатюризации лазеров за счет особой структуры, эффективно удерживающей свет в очень малом объеме. До сих пор добиться настолько сильной концентрации излучения при подобных масштабах считалось чрезвычайно сложной задачей.
Пока экспериментальное устройство возбуждается внешним светом. Следующим важным этапом станет перевод нанолазера на электрическое питание, поскольку именно такой вариант необходим для его полноценной интеграции в микропроцессоры. Если эту проблему удастся решить, технология сможет использоваться непосредственно внутри компьютерных систем без отдельного внешнего источника света.
Особенно заметный эффект такие компоненты потенциально могут дать в центрах обработки данных, где на передачу и обработку информации расходуется огромное количество электроэнергии. Снижение энергетических потерь внутри вычислительных систем способно уменьшить не только расходы на питание оборудования, но и потребность в его охлаждении.
Разработка может найти применение и за пределами вычислительной техники. Благодаря способности концентрировать свет в очень маленькой области нанолазеры рассматриваются как перспективные компоненты высокочувствительных биосенсоров и медицинских систем визуализации. Они потенциально смогут обнаруживать очень слабые сигналы и получать изображения с высоким пространственным разрешением.
Авторы работы считают, что основные технические препятствия на пути к практическому применению технологии могут быть преодолены в течение ближайших пяти–десяти лет. Однако этот срок остается предварительной оценкой: для массового производства потребуется не только электрическое питание нанолазеров, но и надежная интеграция тысяч таких элементов в стандартные процессы изготовления микросхем.
Если эти задачи удастся решить, переход от электрических межсоединений к оптическим может стать одним из способов дальнейшего увеличения производительности вычислительной техники. В таком случае нанолазеры будут отвечать не за сами вычисления, а за быстрый и более энергоэффективный обмен данными внутри будущих процессоров и других электронных систем.