Крошечный сбой, который рушит будущее — чипы тормозят, а инженеры бессильны

Можно ли передавать данные внутри микропроцессоров быстрее, чем сегодня? Учёные из Центра наноразмерной оптоэлектроники МФТИ утверждают — можно, но для этого придётся справиться с одной, казалось бы, незначительной, но фундаментальной преградой: шумами.

Почему плазмоны — это будущее

Плазмон-поляритоны — особые волны, возникающие на границе металла и воздуха, можно назвать "сплюснутыми" фотонами. Они настолько компактны, что легко помещаются в наноразмерные схемы. Заменив часть металлических соединений на чипе на плазмонные, можно многократно увеличить производительность микропроцессоров.

Но у технологии есть обратная сторона: при усилении сигнала для компенсации потерь неизбежно появляются шумы. И чем сильнее усиление, тем больше искажений.

Откуда берётся шум

Главный виновник — фотонный шум. Он появляется из-за спонтанного излучения при переходе электронов между уровнями энергии. Это излучение имеет широкий спектр и вызывает колебания интенсивности — сигнал начинает "плавать", мешая точной передаче данных.

"Усиление сигнала всегда ухудшает соотношение сигнал-шум. В плазмонных волноводах это особенно заметно", — отмечает Дмитрий Федянин.

Почему старые подходы больше не работают

На наноуровне стандартные методы квантовой оптики уже не помогают. Исследователям пришлось объединить три дисциплины — квантовую оптику, физику полупроводников и оптоэлектронику — чтобы описать шум в устройствах, работающих в широком спектре частот. Результат — универсальная теория, применимая и за пределами плазмоники.

Ограничения, о которых раньше не знали

Ранее основным препятствием для плазмонных чипов считали затухание сигнала. Но оказалось, что после его компенсации главный враг — шум. Он может буквально "поглотить" сигнал, делая чип бесполезным.

"Понимая спектр и мощность шумов, можно точно рассчитать пределы скорости передачи информации и даже подобрать режимы работы для её повышения", — поясняет Андрей Вишневый.

Скорости, о которых раньше мечтали

Расчёты показали: даже в крошечном волноводе 200x200 нанометров можно передавать сигнал до 5 мм со скоростью более 10 Гбит/с на канал. А таких каналов может быть десятки — технологии спектрального уплотнения давно знакомы по оптоволоконному интернету.

Для сравнения: по медной дорожке того же размера данные передаются в 500 раз медленнее — всего 20 Мбит/с.

Плазмонный прорыв уже близко

Исследователи не только рассчитали уровни шумов, но и предложили способы их снижения. Если совместить высокую скорость, миниатюрность, энергоэффективность и низкое количество ошибок, можно говорить о новом классе чипов — плазмонно-электронных.

Следующее десятилетие покажет, удастся ли им сделать настоящий технологический прорыв.

Уточнения

Нанофотоника - раздел фотоники, изучающий физические процессы, возникающие при взаимодействии фотонов с нанометровыми объектами.