Немного истории
До начала 80‑х годов прошлого столетия компьютеры воспринимались обществом исключительно как электронно-вычислительные машины — большие, требовательные и неприлично дорогие. Чего греха таить, ведь тогда даже крупные компании, занимавшиеся разработкой вычислительной техники, считали, что компьютеры навсегда останутся единичным товаром, предназначенным исключительно для исследовательских задач. То были совсем другие времена: у человека имелось все для досуга — журналы, газеты, радио и телевидение. Люди прекрасно обходились и без компьютеров. Чего, впрочем, не скажешь о современных представителях человеческой расы.В 1981‑м IBM выпустила на рынок серийную модель персонального компьютера. Он получился дорогим, но компания до конца года продала 136 тысяч экземпляров. Оказалось, компьютеры очень востребованы не только в научных кругах, но и у обычных пользователей.Компьютеры быстро завоевывали мир, поскольку выяснилось, что они могут использоваться практически в любой сфере. С этого момента началась повальная компьютеризация экономики и общества. Через десять лет получили распространение электронные сети — зародилась Всемирная паутина. Дальнейшими целями развития стали миниатюризация и повышение производительности. Параллельно развивались средства мобильной связи и начали возникать предпосылки к появлению смартфонов — по сути, карманных компьютеров. Люди перешли от больших машин к малым, в обиход вошли ноутбуки и планшеты. И сейчас мир компьютеров предстает перед нами таким, каким мы его знаем.
Полупроводниковый беспредел
Но давайте вернемся в прошлое чуть дальше, чтобы добыть важные знания о проблеме, которая станет вызовом для инженеров будущего. В 1965‑м Гордон Мур, один из основателей компании Intel, обнаружил определенную закономерность в развитии микросхем. Он пришел к выводу, что каждые два года происходит удвоение вычислительной мощности процессоров. При сохранении этой тенденции мощность вычислительных устройств за относительно короткий промежуток времени может вырасти по экспоненте. Позднее он подкорректировал свой закон, обозначив существование предела развития полупроводниковых технологий.На данный момент человечеству удалось приблизиться к 2‑нанометровому техпроцессу. Компания TSMC намеревается запустить массовое производство таких процессоров в 2026 году. При этом Intel в конце 2022‑го заявила, что планирует разрабатывать 1‑нанометровый техпроцесс. На минуточку, атом кремния имеет диаметр примерно 0,24 нанометра. Таким образом, 1 нанометр техпроцесса соответствует четырем атомам кремния.В течение пары десятков лет возможно появление более миниатюрных и производительных компьютеров. Но поскольку технология приближается к физическому или атомному пределу, который нереально преодолеть на полупроводниковой базе, то впору начинать поиск альтернативных путей ее развития.
Скорость света
Повинуясь физическим законам известной нам Вселенной, свет передает информацию намного быстрее, чем электричество, к тому же на большие расстояния и без потерь. На этом и строится концепция фотонных технологий.При слове «фотонный» на ум сразу же приходят образы космических кораблей и стреляющих лазерами футуристических орбитальных станций. Но все возвращается с небес на землю, стоит только заменить это слово на «оптический». Такая технология всем понятна, к тому же последние несколько лет на ней строятся современные вычислительные сети.
Желтые пучки оптоволоконных (или фотонных) проводов уже пробрались в каждый дом. Вот такая забавная семантика.
Фотонные устройства произвели революцию в сфере передачи данных: когда информацию научились передавать по оптоволоконным линиям с помощью света, а не с помощью электричества по медным проводам, стал возможен широкополосный интернет. Фотонные коммуникации позволили, помимо прочего, вдвое снизить энергозатраты и, соответственно, стоимость систем хранения данных.
Идея, что похожий скачок в скорости передачи информации можно организовать не просто между разными компьютерами, но внутри каждого из них, прямо на интегральной схеме, — и есть главная стратегическая цель фотонной микроэлектроники.
Корень проблем
Несмотря на очевидные плюсы, фотоника пока развивается очень медленно. И хотя фотонные компьютеры обещают революцию в области информационных технологий, у них все еще имеются ограничения и проблемы, которые нужно будет решить.Электроны обладают зарядом, и на них можно воздействовать при помощи внешних электрических или магнитных полей. В результате они изменяют свое движение, что позволяет передавать сигналы. Чего не скажешь о фотонах. Если световой луч распространяется в вакууме, то траектория его движения не изменится даже при наличии электрических или магнитных полей. В этом заключается одна из проблем, с которой в электронике сталкиваются не так остро.
Сегодня основной задачей фотоники является создание элементной базы, которая потом будет использована для обработки и передачи информации в оптических компьютерах.
Открытия в области фотоники уже давно и незаметно производят революции в науке, промышленности и быту. И появление новых чипов на их основе лишь вопрос времени.ФАКТ
Фотоника как наука зародилась в Ленинградском государственном университете. В 1970 году там была учреждена соответствующая кафедра, ее основал советский академик Александр Теренин.
