Российский материал, который видит свет по-другому: шаг к вычислениям в субтерагерцовом мире 6G

Российские учёные представили разработку, которая может изменить будущее связи и искусственного интеллекта. Исследователи из МИЭТ, МПГУ, МИСИС и НПК "Технологический центр" создали базовый элемент интегральной фотонной схемы, работающей в субтерагерцовом диапазоне - ключевом для технологий 6G и вычислений "на лету".

Результаты опубликованы в журнале Optical Materials и уже вызвали интерес в научных кругах: разработка объединяет возможности фотоники, материаловедения и нейросетевой логики.

Почему субтерагерцовый диапазон — ключ к 6G

Терагерцовые (ТГц) и субтерагерцовые (субТГц) частоты занимают промежуточное положение между микроволновым и инфракрасным диапазонами. Они позволяют передавать данные в десятки раз быстрее, чем современные сети 5G.

Системы 6G будут работать именно на этих частотах, а значит, требуются новые компоненты, способные управлять сигналом без потерь и высокой энергозатраты.

"Мы создали перестраиваемый аттенюатор, работающий в субТГц диапазоне длин волн", — рассказал ведущий научный сотрудник МПГУ и НИТУ "МИСИС" Сергей Селиверстов.

Что создали учёные

Главный элемент, представленный командой, — интегральный энергонезависимый аттенюатор. Он уменьшает амплитуду или мощность сигнала, позволяя точно управлять его параметрами.

Устройство выполнено на основе фазопеременного материала Ge-Sb-Te (германий-сурьма-теллур, GST). Такие материалы меняют свои оптические свойства при переходе из аморфного в кристаллическое состояние.

Как это работает

• в аморфной фазе материал пропускает меньше сигнала;

• в кристаллической — больше;

• переключение между фазами происходит при нагреве или воздействии света.

Эта разница в поглощении (более 10 дБ) позволяет управлять субТГц-сигналами в диапазоне 126,5-145,5 ГГц, без необходимости переводить их в оптический формат и обратно.

"Использование фазопеременного материала GST позволяет работать напрямую в субТГц и ТГц диапазонах", — отметил замдиректора Института перспективных материалов и технологий НИУ МИЭТ Пётр Лазаренко.

Почему это важно

Современные нейронные сети обрабатывают данные последовательно, что требует хранения промежуточных результатов и больших затрат энергии.

Разработанная схема позволит выполнять вычисления "на лету", когда операции сложения и умножения происходят непосредственно в потоке сигнала. Это открывает путь к фотонным нейросетям, способным учиться и принимать решения с минимальными задержками.

"Базовая операция искусственных нейронных сетей — скалярное произведение векторов — может выполняться с помощью двух элементов: аттенюатора и фазовращателя", — пояснил Сергей Селиверстов.

Потенциал для систем связи и вычислений

По словам Петра Лазаренко, применение искусственного интеллекта в системах 6G не только повысит скорость передачи данных, но и снизит уровень ошибок и оптимизирует распределение ресурсов в реальном времени.

Таким образом, фотонные схемы на основе GST могут стать основой для:

• автономных коммуникационных систем 6G,

• встраиваемых нейросетей, работающих без централизованных серверов,

• нового поколения энергоэффективных процессоров для ИИ.

Как создавали новый элемент

Ошибки, последствия и альтернативы

• Ошибка: считать, что фотонные схемы заменят электронику полностью.
  Последствие: недооценка сложности интеграции технологий.
  Альтернатива: гибридные решения, где фотонные модули работают совместно с электронными.

• Ошибка: использовать GST только в инфракрасном диапазоне.
  Последствие: ограничение функциональности материалов.
  Альтернатива: применение в субТГц-диапазоне расширяет потенциал для телекоммуникаций и ИИ.

Что дальше

Исследователи продолжают работу над технологическими процессами обработки фазопеременных материалов и адаптацией технологии под промышленное производство.

"Мы уже получили модуляцию сигнала в элементах на основе плёнок GST в субТГц диапазоне. Это открывает возможности для создания целого спектра новых интегральных устройств", — подчеркнул начальник лаборатории НПК "Технологический центр" Евгений Кицюк.

Следующий шаг — объединение нескольких фотонных элементов в первый интегральный прототип субТГц процессора, способного выполнять базовые нейронные операции.

Плюсы и минусы технологии

Плюсы:

• энергоэффективность — отсутствие необходимости хранить промежуточные данные;

• высокая скорость операций;

• простота интеграции с системами 6G;

• снижение стоимости за счёт отказа от оптической конверсии.

Минусы:

• высокая чувствительность материалов к температуре;

• необходимость в точном управлении фазовым состоянием;

• пока что лабораторный уровень технологии.

FAQ

Почему именно субТГц диапазон важен для 6G?
Он позволяет увеличить пропускную способность канала без перегрузки радиочастотного спектра.

Что делает фазопеременный материал GST уникальным?
Он сочетает оптическую и электрическую изменяемость, что позволяет использовать его и в фотонике, и в микроэлектронике.

Когда такие устройства появятся на рынке?
Ориентировочно через 5-7 лет, после завершения технологической адаптации и сертификации.

Мифы и правда

• Миф: фотонные нейросети потребляют больше энергии.
  Правда: наоборот, они энергоэффективнее за счёт отсутствия промежуточных вычислений.

• Миф: 6G — это просто "быстрее, чем 5G".
  Правда: 6G объединит связь, вычисления и искусственный интеллект в единую инфраструктуру.

• Миф: фотонные технологии не применимы в электронике.
  Правда: гибридные схемы уже разрабатываются и показывают отличные результаты.

Интересные факты

• Субтерагерцовый диапазон — "золотая середина" между электроникой и оптикой.
• Скорость передачи данных в 6G может превысить 1 Тбит/с.
• Материалы семейства GST используются также в перезаписываемых Blu-ray дисках.

Российская разработка открывает дорогу к новому поколению фотонных вычислительных систем. В будущем такие технологии могут стать сердцем интеллектуальных сетей связи 6G, где данные будут обрабатываться не на серверах, а прямо в потоке сигнала.