Нет ничего лучше сбывшейся мечты — и нет ничего хуже, согласитесь. Когда мечта становится явью, забываешь, чего именно так долго хотел. Это в равной степени относится к вещам, образу жизни, женщинам. И — новым технологиям тоже.

Помните, как мы грезили оптроникой? «Компьютерами, работающими на свету», «отставкой электричества», «фотонными процессорами»? Задача, одно время стоявшая чуть ли не рядом с управляемым ядерным синтезом, будучи частично решена, как-то очень быстро утратила привлекательность. Нет, я серьёзно: спроси вас сейчас, на что вам оптоэлектронный компьютер, сможете ли вы аргументированно в нём нужду (или отсутствие таковой) объяснить?

А ведь вы наверняка знали когда-то, просто забыли. И здесь нет вашей вины. Как, в общем-то, нет и вины самой оптроники. Виновата микроэлектроника классическая, успехи которой задвинули оптического конкурента на второй план. Оптимисты, впрочем, считают, что оптроника забыта только на время. В последние годы робкие ростки новых оптронных начинаний пробиваются там и сям. Акцент, кульминация этой затянувшейся весны, случился буквально на днях, когда журнал Nature опубликовал статью группы американских исследователей (в т.ч. MIT, Калифорнийский в Беркли и др.), построивших уникальный оптоэлектронный чип — первый практически пригодный микропроцессор, коммуницирующий с внешним миром не электричеством, а светом. Но чтобы понять, в чём прорыв и в чём его недостатки, стоит вернуться к азам.

Optronika-0

Так вот, главное: чем так уж хорош свет по сравнению с электричеством, с точки зрения информационных технологий? Экономичностью и надёжностью при передаче данных. Обобщая, можно выделить три принципиальных преимущества световой линии: она требует значительно меньших затрат энергии на передачу равного объёма информации, она в состоянии передать больше данных через единицу сечения за равное время, она не подвержена паразитным наводкам. О численном выражении «значительности» речь пойдёт чуть ниже, а пока отметье ещё вот что. Всё это было известно уже к 80-м годам, на которые и пришлось начало коммерческой эксплуатации первых оптоволоконных линий. Было известно и было оценено по достоинству: к настоящему моменту бэкбон глобальной компьютерной сети, её спинной мозг, переливающий терабайты в секунду с континента на континент, образован именно оптоволоконными магистралями. На расстояниях от километра, оптоволокно — вне конкуренции.

К сожалению, на «последнем километре» всё не так красиво. Тут проникновение оптроники тормозится парой её особенностей. Прежде всего, конечно, специфическими трудностями в обращении с оптоволокном: оно требует правильной укладки, правильного ввода в дом и офис, и в этом существенно менее удобно по сравнению с «медью». Плюс, требуется преобразование в электрический сигнал в точке контакта собственно с потребителем — потому что вычислительная техника всё ещё чисто электрическая, а не оптическая, и даже не оптоэлектронная. Преобразователи же — устройства дорогие и, главное, плохо совмещающиеся со сложной современной микроэлектроникой.

Реклама на Компьютерре

Я сейчас сильно упрощу, поэтому пусть знатоки поправят и дополнят в комментариях, но суть примерно такая: до настоящего времени не существовало технологий производства микросхем, которые позволили бы совместить на одной подложке оптические компоненты и компоненты электронные с уровнем миниатюризации, принятым в современной вычислительной и коммуникационной технике. Или вы делаете сложный электронный чип, но без оптики, или эффективный оптический, но с примитивной электронной обвеской. Вот почему на рынке до сих пор нет конкурентоспособных оптронных микропроцессоров или оптронной компьютерной периферии.

Тот же чип. Внизу два RISC-ядра, выше справа поле памяти, слева — два блока оптических элементов.
Тот же чип. Внизу два RISC-ядра, выше справа поле памяти, слева — два блока оптических элементов.

Но тут-то в игру и вступает вышеупомянутая группа. Опираясь на обычную технологию CMOS (правда, не самую современную её версию, но близкую к таковой и имеющую потому реальную рыночную ценность, пригодную для постройки гигагерцовых микрочипов), им удалось совместить на одном чипе электронные и оптические компоненты. Добились они этого через несколько оригинальных конструкторских решений (в их числе прозрачное для некоторых участков спектра тело процессора и встроенный температурозависимый корректор интенсивности светового потока). А результат выглядит как чип размерами 3х6 мм, содержащий 70 миллионов транзисторов и 850 оптических элементов (модуляторы, фильтры, детекторы и пр.). Функционально это двухъядерный RISC-процессор (архитектура RISC-V), плюс поле памяти, плюс поле оптических и фотоэлектрических преобразователей, через которые процессор и память общаются с внешним миром.

Чтобы показать, как управляться с таким чипом, конструкторы построили демонстрационный стенд. На нём, помимо двух новых чипов (один играет роль процессора, другой — оперативной памяти), разместились FPGA-контроллер и персоналка, лазер (который и «питает» чипы светом), вспомогательные световоды. Оператор формулирует задачу (например, выполнить рендеринг трёхмерного объекта), она преобразуется в набор инструкций для оптронного процессора и данных для оптронной оперативной памяти, загружается в них — и они начинают работать, общаясь между собой оптически. За процессом можно наблюдать с помощью персоналки, что и запечатлено в ролике.

Работает оптоэлектронный микропроцессор. Сам чип, увеличенный под микроскопом, показан в правом нижнем углу.
Работает оптоэлектронный микропроцессор. Сам чип, увеличенный под микроскопом, показан в правом нижнем углу.

Да, установка громоздкая, да, эффективная тактовая частота пока измеряется лишь десятками мегагерц, но всё это издержки эксперимента. Важно, что на наших глазах оперирует битами и пикселями первый по-настоящему сложный оптоэлектронный микропроцессор. И даже сейчас это уже больше чем демонстрация. Уже основан стартап, который обещает вывести новый чип на широкий рынок через пару лет. Ответ на вопрос, кому такое может понадобиться, кроется в названных выше преимуществах: численное выражение «значительной разницы» составляет десятки и сотни крат. Представьте, например, оптронный микропроцессор в дата-центре: ведь он способен радикально снизить энергопотребление!

Так что постройка такого чипа безусловно является прорывом — и комментаторы, в общем, с этим согласны. И всё-таки есть скептики, которые тоже по-своему правы. Их доводы просты. Во-первых, даже успешное совмещение оптических и электронных компонент на одном кристалле не уничтожило фундаментальных недостатков оптронной технологии — а именно громоздкость элементов и зависимость от температуры. Оптические элементы сравнительно велики и не факт, что их удастся радикально уменьшить в размерах. А повышение температуры чипа всего на один градус (достаточно осветить его чуть больше обычного) приводит к фатальным сбоям. В экспериментальном продукте, понятно, громоздкость роли не играет. Термическую же болезнь решили, встроив уже упоминавшийся корректор — но едва ли такое решение может считаться универсальным.

Есть ещё и второй довод, который, правда, собственно к оптронике прямого отношения не имеет. Дело в том, что несмотря на все проблемы классических полупроводников, несмотря на то, что они уже «царапают брюхом дно», испытывая закон Мура на прочность, простой пользователь цифровой техники проблемы нехватки вычислительной мощности пока не ощущает. И до тех пор пока не ощутит, по-настоящему массового спроса на альтернативные продукты не будет.

Так что не стоит ждать от оптроники чудес. В ближайшие годы она в лучшем случае станет штурмовать последнюю милю и дата-центры. И лишь значительно позже, возможно — возможно! — придёт на рабочие столы.