Самокалибровка фотонов. Ускорение света в интегральных схемах.

Концептуальная схема самокалибрующегося интегрированного широкополосного PIC. Источник.

Университеты Монаш и RMIT провели исследования, итоги которого могут обернуться настоящей революцией в скоростях вычислительных технологий. Им удалось создать фотонную интегральную схему, наводящую мосты между супермагистралями данных, чем она и выводит на передовую ныне существующие оптические чипы. Выявленные таким образом возможности подключения, описанные в журнале Nature Photonics, имеют все шансы постепенно упразднить громоздкую 3D-оптику, заменяя её тонким пластом кремния.

Вообще, программируемые фотонные интегральные схемы (PIC) представляют собой плотные сборки перестраиваемых элементов, которые обеспечивают гибкую изменяемость для выбора различных функций. Но из-за производственных вариаций и тепловых градиентов, влияющих на оптические фазы элементов, гарантировать стабильное соответствие между электрическими командами чипа и функцией, которую он обеспечивает, крайне непросто.

Теперь же учёные создали самокалибрующуюся программируемую PIC с полным контролем над её сложным импульсным откликом, которой, наряду с прочими возможностями вроде глобального развития искусственного интеллекта, разработчики отводят несколько конкретных сфер применения. Сюда входит резкое повышение безопасности беспилотных автомобилей – они смогут интерпретировать своё окружение буквально мгновенно. Алгоритмы машинного обучения также смогут быстрее диагностировать болезни и повысить качество естественно-языковых интерфейсов вроде приложений Google Homes, Alexa, Siri или Алиса. Кроме того, расширится география возможностей человека быстрее получать данные, поскольку коммутаторы меньшего размера перенастроят оптические интернет-сети.

База этого исследования строится на фотонике – науке о свете, которая уже довольно ощутимо меняет наш мир, хотя мы о ней слышим далеко не так часто, как о, например, кремнии в микропроцессорах. Она используется всюду: от ПДУ (пульта дистанционного управления) телевизора до удержания спутника на орбитальном курсе. А теперь ещё фотонные чипы могут преобразовать вычислительные возможности громоздких настольных утилит в чипы размером с ноготь!

Профессор Артур Лоури, лауреат премии ARC с факультета инженерии электрических и компьютерных систем Университета Монаш, ведущий исследователь проекта, говорит, что этот прорыв дополняет предыдущее открытие, совершённое два года назад доктором Биллом Коркораном из того же Университета Монаша. Тогда, в 2020, в сотрудничестве с RMIT, он разработал новый оптический микрогребенчатый чип, который может троекратно сжать трафик всего NBN через одно оптоволокно, что считается сегодня самой высокоскоростной передачей данных в мире, произведённой с одного чипа размером с ноготь.

Итак, этот оптический чемпион, микрочип доктора Коркорана, построил многополосную супермагистраль передачи данных; теперь же его дальнейшее усовершенствование вылилось в самокалибрующийся чип профессора Лоури, создающий рампы и мосты включения и выключения, которые соединяют все полосы супермагистрали, чем и обеспечивают ещё большее перемещение данных.

«Мы продемонстрировали самокалибрующийся чип программируемого фотонного фильтра с ядром обработки сигналов и встроенным эталонным трактом для самокалибровки, – объясняет учёный. – Самокалибровка важна, потому что она делает настраиваемые фотонные интегральные схемы полезными в реальном мире».

Системы оптической связи переключают сигналы на места назначения в зависимости от их цвета, обеспечивая очень быстрые вычисления подобия (так называемые корреляторы). Основанные на их особенностях сферы применения могут включать инструменты научного анализа для практически всего, что есть в нашем физическом мире: от микрокосма химии или биологии до самой астрономии.

«Электроника добилась аналогичных улучшений в стабильности радиофильтров с использованием цифровых технологий, – проводит параллели профессор Лоури. – Это привело к тому, что многие мобильные телефоны смогли совместно использовать один и тот же участок спектра. Наши оптические чипы имеют аналогичную архитектуру, но могут оперировать сигналами с терагерцовой полосой пропускания».

На это достижение ушло три года упорной работы.

Всё стремительнее развивающиеся интернет-технологии с каждым годом требуют всё большей пропускной способности. Беспилотные автомобили становятся «умнее», а ситуации на дорогах всё также непредсказуемы; дистанционно управляемое оборудование – будь то медицинская аппаратура, майнинговая ферма, сервер или ЦОД, – требуют больших скоростей передачи и обработки сведений. Однако само увеличение пропускной способности каналов связи обусловлено не только улучшением оптических волокон, по которым проходит интернет-сигнал, но и предоставлением компактных многоцветных коммутаторов, работающих во многих направлениях, чтобы данные можно было отправлять по многим каналам одновременно.

«Это исследование является большим прорывом: наша фотонная технология сейчас достаточно развита для того, чтобы действительно сложные системы могли быть встроены в один чип. Идея о том, что устройство может иметь встроенную эталонную систему, позволяющую всем его компонентам работать как единое целое, – это технологический прорыв, который позволит нам обойти проблемы слабых мест Интернета путём быстрой перенастройки оптических сетей, по которым проходит наш Интернет, чтобы получать данные там, где они нужны больше всего», – говорит профессор Арнан Митчелл из InPAC.

Однако у фотонных схем есть ещё одна прелюбопытная черта: помимо способности манипулировать оптическими каналами информации и направлять их, они в состоянии также обеспечивать некоторые вычислительные возможности. Как пример можно привести поиск шаблонов. Эта операция имеет основополагающее значение для многих приложений машинного интеллекта: медицинская диагностика, автономия транспортных средств, интернет-безопасность, выявление угроз и алгоритмы поиска – всего просто не перечесть.

Быстрое и надёжное перепрограммирование чипов позволяет столь же быстро и точно программировать новые поисковые задачи. Однако столь простая прямая зависимость высококачественных последствий требует тех же повышенных показателей на этапе производства: оно должно быть точным до крошечной длины световой волны, а речь идёт всё-таки о нанометрах. Сегодня это очень непростая задача, и – помимо сложности – это крайне дорогая затея. Но, к счастью, самокалибровка решает и эту проблему.

Ключевой задачей исследования была интеграция всех оптических функций в устройство, которое можно было бы «подключить» к существующей инфраструктуре. Профессор Арнан Митчелл и доктор Гуангуи Рен создали экспериментальный демонстрационный экземпляр. Сам процесс был разделён на несколько этапов: включение оптического опорного пути в схему PIC, восстановление фазового отклика из измерений амплитуды посредством соотношения Крамерса-Кронига, и применение так называемого быстро сходящегося алгоритма самокалибровки. Используя только 25 обучающих циклов, команде удалось добиться коммутируемой обработки сигналов со сложными импульсными откликами. Подход продемонстрировал стабильное и точное управление крупномасштабными PIC для ресурсоёмких приложений вроде реконфигурации сетей связи, нейроморфных аппаратных ускорителей, а также способен проявить себя и в работе квантовых компьютеров.

«Наше решение состоит в том, чтобы откалибровать чипы после изготовления, чтобы настроить их на практике, используя встроенный эталон, а не с помощью внешнего оборудования, – говорит профессор Лоури, лауреат премии ARC. – «Мы используем красоту причинно-следственной связи, эффект следует за причиной, что диктует, что оптические задержки путей через чип могут быть однозначно выведены из зависимости интенсивности от длины волны, которую гораздо легче измерить, чем точные временные задержки. Мы добавили строгий эталонный контур нашему чипу и откалибровал его. Это даёт нам все настройки, необходимые для «дозвона», и желаемую функцию переключения или спектральный отклик».

Представленный метод является действительно важным шагом на пути ко внедрению фотонных чипов на практике в разработке пользовательских устройств. Вместо того, чтобы, подобно поиску волны на старом радиоприёмнике, скрупулёзно ловить нужные настройки, исследователи сумели настроить чип за один шаг. Это что позволило быстро и надёжно переключать потоки данных с одного места назначения на другое.

Надёжная настройка фотонных чипов открывает множество других применений в роли оптических корреляторов, способных почти мгновенно находить шаблоны в потоках данных. Это касается, например, изображений. Такой подход в визуальном анализе может невероятно сократить время, затрачиваемое на изучение и трактовку снимков со спутников или томографии.

«По мере того, как мы интегрируем все больше и больше элементов настольного оборудования в чипы размером с ноготь, становится все труднее заставить их работать вместе для достижения скорости и функциональности, которые они имели, когда они были больше. Мы преодолели эту проблему, создав чип, который был достаточно умён, чтобы откалибровать себя, чтобы все компоненты могли работать с нужной скоростью в унисон», – подытожил доктор Энди Боес из Университета Аделаиды.

АРМК, по материалам Университета Монаша.