Российские и британские исследователи совместно совершили впечатляющий научный рывок: команда Московского физико-технического института (МФТИ) и Королевского колледжа Лондона, при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований, разработала инновационный метод создания лазеров, чей размер в сотни раз меньше толщины человеческого волоса. Это достижение открывает новую эру в микропроцессорных технологиях, позволяя реализовать ультрабысокоскоростные процессы передачи информации непосредственно на чипах будущего.
Микроскопические лазеры: новая веха в интегральных схемах
Миниатюризация электронных компонентов всегда оставалась одной из ключевых задач для развития вычислительной техники. Однако интеграция света и электроники на одном чипе требует небывало малых световых источников. Разработанное учёными решение — нанолазер размером меньше длины волны излучения — стало настоящим прорывом в этой области. Такой компонент способен не только преодолеть традиционные ограничения передачи данных, но и ускорить обмен информацией между ядрами процессоров во много раз.
В современном мире скоростной интернет возможен благодаря использованию оптоволоконных линий передачи, однако эти технологии редко применяются внутри самих электронных устройств. Возможность использования света для передачи информации внутри процессора даст старт совершенно новому уровню эффективных вычислений и сверхбыстрого взаимодействия между компонентами чипов.
Выдающийся научный подход: практичность и компактность
Ранее существовавшие наноразмерные лазеры были востребованы лишь в лабораторных экспериментах из-за необходимости применять внешний, гораздо более мощный лазер для их активации. Это ограничивало спектр их использования: массовая интеграция таких нанолазеров внутрь электронных микросхем оставалась невозможной. Новый подход, предложенный исследовательской группой, выводит технологию на кардинально иные уровни.
Новый инжекционный нанолазер можно запитать напрямую от электрического источника маленькой мощности, то есть буквально "от батарейки". Такой прибор будет работать при комнатной температуре и потому пригоден для практического использования в массовых электронных устройствах. Главной инновацией является замена традиционных схем электрической накачки, обеспечивших стабильность работы лазера даже при столь миниатюрных размерах.
Дмитрий Федянин о преимуществах идеи
Руководитель исследования, д.ф.-м.н. Дмитрий Федянин, особо отметил важность нового принципа электрооптической интеграции: «Если удастся устранить ограничения, связанные с передачей данных между ядрами, можно будет создавать процессоры с тысячами ядер, которые в стократ быстрее современных моделей. Это открывает путь к появлению уникальных микросуперкомпьютеров на одном кристалле, способных обрабатывать огромные массивы данных в реальном времени».
Федянин также подчеркнул, что разработанный подход открывает перспективы массового внедрения оптоэлектронных элементов в бытовую и профессиональную электронику, позволяя добиваться недостижимых на сегодня скоростей взаимодействия между вычислительными блоками.
Ультракомпактные компоненты для мощных систем
Основной вызов в интеграции оптики в электронику на микроскопическом уровне — резко уменьшить размеры лазерных излучателей. Современные оптические элементы зачастую превышают сотни нанометров, что недопустимо для микросхем высокой плотности. Только реально нанометровые лазеры, встроенные непосредственно в чип, способны преобразовывать электрические сигналы в световые настолько быстро и эффективно, чтобы обеспечить прорыв в области интегральных схем.
Прежние модели плазмонных лазеров могли работать лишь от внешнего источника света, а попытки создать действительно миниатюрные электрически накачиваемые лазеры ограничивались низкотемпературным режимом. Работа МФТИ и Королевского колледжа Лондона смогла преодолеть эти трудности, положив начало принципиально новым решениям для массового производства.
Уникальные рабочие параметры нанолазера
Несмотря на беспрецедентно малые размеры, разработанный нанолазер способен генерировать мощность, превышающую 100 микроватт — это сопоставимо с характеристиками в разы более крупных фотонных лазеров. Такой уровень производительности позволяет одному крохотному устройству передавать сотни гигабит информации каждую секунду.
Благодаря использованию фотонных или плазмонных волноводов, световое излучение эффективно выводится из нанолазера и усваивается интегральной схемой, делая возможным создание полностью оптоэлектронных чипов с невиданной ранее скоростью обмена сигналами. Это преимущество обеспечит новые возможности для проектирования микроэлектроники будущего, где сверхкомпактные устройства легко найдут применение в коммуникационном оборудовании, суперкомпьютерах и мобильных гаджетах.
Новые горизонты для науки и промышленности
Поддержка исследовательского проекта Российским фондом фундаментальных исследований подчеркивает стратегическую значимость новых решений для индустрии высоких технологий. Результаты открытия уже вызвали широкий интерес в научных и инженерных кругах, поскольку становятся возможными компактные и энергоэффективные микросхемы на базе нанолазеров, пригодные для массового производства и внедрения в самые разные сферы — от вычислительных платформ глобальных дата-центров до носимых устройств и систем искусственного интеллекта.
Ожидается, что дальнейшее развитие технологий синтеза и интеграции нанолазеров откроет ещё более грандиозные перспективы. Научная коллаборация между ведущими университетами России и Великобритании продолжит создавать уникальные инженерные решения, двигая мир высоких технологий вперёд.
