Фотонный ЦАП нового поколения. Бесшовный стык физических миров.

Практически в любом оборудовании для обработки сигналов, равно как и в приборах связи по широкополосным каналам, которые поддерживают высокие уровни скорости и пропускной способности, есть некоторые специфические устройства, обеспечивающие переход одной энергии в другую. Это цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи – ЦАП и АЦП соответственно. Основной их функцией, как нетрудно догадаться, является перевод сигнала из электронного вида в оптический и обратно. Столь незначительная функциональность, тем не менее, делает их просто незаменимыми.

Но эта исключительность вызывает и неудобства: мир так полюбил оптоволокно – ведь фотонные системы способны обеспечивать большие объёмы, высокую скорость и малую задержку при передаче данных, – что обнаруживаемые нами ограничения всё чаще связаны как раз с технологическим несовершенством этих преобразователей. Во всей мировой сети слабые по энергопотреблению и пропускной способности места обнаруживаются в подключениях и интерфейсах на её границе – то есть в контурах ввода-вывода цифровых систем или датчиков, от которых требуется преобразование типа цифра-аналог-цифра и оптика-электрон-оптика.

Чем дальше, тем более явной становится необходимость улучшения пересечения сигналом цифровых и аналоговых соединений. Поэтому многие учёные и инженеры видят выход в синергетике (междисциплинарном научном подходе), а именно – на стыке электронной и оптической областей. И тут стоит заметить, что на реализацию улучшенных ЦАПов возлагаются надежды по обеспечению прироста не только в скорости передачи данных, но также и в энергоэффективности оборудования.

На самом деле фотонные интегральные схемы уже продемонстрировали свой высокий потенциал в обработке оптических данных, однако переходы к электронике и назад сводят на нет прирост производительности этих платформ при взаимодействии с электрическими цифровыми архитектурами. И действительно, в дополнение к минусу в виде громоздкого исполнения интерфейсов пересечения областей между электроникой и оптикой, они ограничены достигаемой полосой пропускания и разрешающей способностью преобразователей. Последние же, в свою очередь, наряду с такими характеристиками, как величина задержки и потребляемая мощность систем обработки сигналов, обусловлены технологией CMOS, быстро приближающейся к своему фундаментальному физическому пределу.

И вот наконец-то мы сдвинулись в нужном направлении: разработан – и даже уже продемонстрирован – новый фотонный цифро-аналоговый преобразователь. Долгожданный прорыв совершила объединённая команда исследователей из Университета Джорджа Вашингтона и Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Созданные ими устройства могут вывести оборудование для обработки данных на уровень следующего поколения, что весьма значительно повлияет на возможности центров обработки данных, сетей 6G, искусственного интеллекта и многого другого.

В то время как существующие оптические сети, уже сейчас служащие основной магистралью для большей части мировых данных, а также всё растущее разнообразие датчиков, считывающих оптическую, аудио и сенсорную информацию, удовлетворяют потребности в цифро-аналоговом преобразовании лишь посредством синергетики, связывая цифровые системы с аналоговыми компонентами на междисциплинарном уровне, новый ЦАП не выходит за пределы оптической области.

Другими словами, герои сегодняшней статьи пошли отличным от чаяний научного содружества путём: созданное на платформе кремниевого фотонного чипа устройство уже не требует конвертации сигнала в электричество. Доцент кафедры электрической и вычислительной инженерии в Университете Джорджа Вашингтона Фолькер Дж. Соргер с коллегами говорят, что опытный образец довольно компактен, и во время взаимодействия с цифровыми системами демонстрирует совсем небольшую задержку сигнала и энергопотребление несколько ниже других ЦАПов. К тому же он обнаружил завидную устойчивость к электромагнитным наводкам и высокочастотным шумам. Это стало возможным благодаря разработке и развитию новой концепции когерентного параллельного фотонного ЦАПа, воплощённой в 4-битном прототипе, способном к цифро-аналоговым переходам без пересечения оптико-электро-оптических рубежей, которое и порождает вышеупомянутые паразитные искажения сигналов в повсеместно используемых сейчас аналогах.

Новая экспериментальная парадигма гарантирует линейность интенсивности нагрузки битов при работе с высокими частотами дискретизации (до 50 ГГц), отличаясь как исключительной эффективностью дискретизации, так и небольшой площадью – всего около 1 мм² – в 8-битной реализации. Также важно отметить, что та бесшовность междисциплинарного взаимодействия оборудования для обработки данных, которой его наделяет этот фотонный конвертер, делает возможным переход к устройствам нового поколения, очень актуальных для ЦОДов, комплексов спецориентированных вычислений вроде нейроморфных инструментов и приложений сетевой периферии.

По некоторым оценкам, среди которых и прогноз Visual Networking Index от 2018 года одного из лидеров по анализу сетевых технологий Cisco, к 2022 глобальный IP-трафик достигнет 4,8 зеттабайт в год. Постоянный рост спроса на доступ ко всемирной сети с малой задержкой и эффективную обработку данных уже давно требует инновационных решений для приграничных сетевых вычислений. Получившийся у исследователей фотонный ЦАП приближает нас к решению части этой задачи – его показатели позволяют предположить высокий потенциал технологии в удовлетворении столь быстрорастущих потребностей в обработке оптических данных. В случае закрепления успеха на этом поприще и в некоторых других сопутствующих разработках, мы лицом к лицу столкнёмся с тем, что новые технологии позволят сетям следующего поколения эффективно анализировать важные данные чуть ли не в реальном времени. 

 «Мы нашли способ незаметно преодолеть разрыв, существующий между этими двумя мирами, аналоговым и цифровым, – говорит Соргер. – Это устройство является важной ступенькой в создании оборудования для обработки данных следующего поколения».

АРМК, по материалам Wiley Online Library