Біз барған сайын жылдамырақ компьютерлер жасауға ұмтыламыз, ал жарық – Әлемдегі ең жоғары жылдамдыққа ие болғандықтан, есептеулер үшін мінсіз үміткер болып көрінеді. Алайда есептеу жүйелерінде тек деректерді жеткізу жылдамдығы ғана емес, олардың дәл уақытында келуі де маңызды. Жарықты баяулатудың түрлі әдістері бар болса да, қазіргі жабдықтар белгілі бір жылдамдық пен тұрақты дизайнға негізделген. Сондықтан сұрақ туындайды: бір аппараттық платформада жарық сигналдарының келу уақытын қалай басқаруға болады?

Бағдарламаланатын фотондық схема

Сеул ұлттық университеті мен Сеул университетінің зерттеушілері жарық импульстерінің чип арқылы өту уақытын динамикалық реттей алатын бағдарламаланатын фотондық схеманы жасады. Бұл олардың келу сәтін бақылауға мүмкіндік береді. Өндіріс кезінде белгіленген тұрақты кідірісі бар құрылғылардан айырмашылығы, жаңа жүйе кідірісті, өткізу жолағын және оптикалық сигналдың жиілік сипаттамаларын өзгерту үшін қайта баптауға болады.

Фотониканың артықшылықтары

Дәстүрлі процессорлар (CPU және GPU) деректерді электрондар арқылы металл өткізгіштермен электрлік сигнал түрінде жеткізеді. Есептеу қажеттіліктері мен процессорлар көлемі, сондай-ақ жасанды интеллект жүйелері өскен сайын, металл арқылы деректерді тасымалдау көбірек энергия талап етеді және өткізу қабілетінде тар орындар туғызады.

Фотоника деректерді жарық сигналдарына айналдырады. Фотондар ақпараттың үлкен көлемін жоғары жылдамдықпен және аз жылу шығынымен жеткізе алады. Дегенмен, жарықтың жоғары жылдамдығы есептеулерде әрдайым тиімді емес, себебі әртүрлі сигналдар әртүрлі жолдармен өтіп, түрлі операцияларды орындауы мүмкін, ал оларды бір уақытта пайдалану қажет болғанда синхрондау керек. Бұл үшін сигналдарды кідірту, синхрондау, буферлеу және сүзу қажет – бұл міндеттерді электроника оңай шешеді, ал фотоникада бұл күрделірек.

CRIT технологиясы және оның шектеулері

Жарықты кідірту әдістерінің бірі – байланысқан резонаторлар арқылы индуцирленген мөлдірлік (CRIT). Бұл технология оптикалық резонаторларды – жарықтың белгілі бір жиіліктерін ішінде айналдыра алатын микроскопиялық құрылымдарды қолданады. Белгілі бір жағдайда интерференция пайда болып, жарық сигналдары едәуір кідіріс арқылы өтетін тар терезе түзіледі. Алайда баптаудан кейін резонаторлардың құрылымы бекітіледі, сондықтан параметрлерді өзгерту үшін көбіне жаңа чип қажет болады.

Жаңа шешім: бағдарламаланатын архитектура

Зерттеушілер чиптің жұмысын бағдарламаланатын ету үшін, резонаторлар желісін құрылымнан кейін қайта баптауға мүмкіндік беретін реттелетін элементтерді енгізуді ұсынды. Архитектураға екі реттелетін ілмекті қосқыш қосылды, бұл резонаторлар арасындағы өзара әрекеттесуді өзгертіп, бір схемада әртүрлі оптикалық сипаттамалар алуға мүмкіндік береді. Теориялық модельдерде өткізу жолағының енін және пішінін өзгертуге, жарықтың өту тиімділігін басқаруға және оптикалық импульстардың кідіріс уақытын баптауға қол жеткізілді.

Сандық модельдеу нәтижелері кідірісті тікелей схема жұмыс барысында динамикалық өзгертуге болатынын көрсетті. Архитектура сондай-ақ жарықтың жиілігін басқаруға мүмкіндік береді, бұл кейбір жүйелерде жиілікті түрлендіруге арналған бөлек компоненттерді қажетсіз етеді. Бұл функциялардың үйлесімі тұжырымдаманы тартымды етеді: жеке оптикалық компоненттерді кідірту, сүзу және басқа міндеттер үшін қолданудың орнына, бағдарламаланатын резонаторлар желісін әртүрлі функцияларға бейімдеуге болады.

Практикалық іске асыру және болашағы

Тұжырымдаманың жұмысқа қабілеттілігін тексеру үшін команда кремний нитридінен жасалған фотондық интегралды схемалар платформасында құрылымды модельдеп, нақты ақауларды ескеретін үш өлшемді электромагниттік модельдеулер жүргізді: материалдағы шығындар, резонаторлар арасындағы айырмашылықтар, қажетсіз шашырау, байланыс вариациялары, фазалық қателер және компоненттер арасындағы жылу әсері. Архитектура бұл қолайсыз әсерлерге қарамастан жұмысқа қабілетті екенін көрсетті, бұл оны қазіргі фотондық өндіріс технологияларымен жүзеге асыруға болатынын дәлелдейді.

Егер мұндай бағдарламаланатын кідіріс жүйелерін тәжірибеде іске асыру мүмкін болса, оларды оптикалық сигналдарды синхрондау, реттелетін кідіріс желілері мен буферлер жасау, өткізу жолағын және жиілікті түрлендіру үшін қолдануға болады. Бұл функциялар оптикалық коммуникацияларда, жасанды интеллектке арналған фотондық процессорларда және көптеген жарық сигналдарының дәл уақытында келуі қажет басқа жүйелерде аса маңызды.

Қазіргі уақытта жұмыс теория және модельдеулермен шектеледі, бірақ мұндай схеманы жасауға болатыны көрсетілді. Келесі қадам – нақты құрылғыларды жасап, тәжірибелік тексеру, содан кейін тұжырымдаманы ірі бағдарламаланатын фотондық схемаларға кеңейту. Жарықтың бағдарламаланатын кідірісін басқару мүмкіндігі фотоника негізіндегі есептеулерді икемдірек етуге бағытталған маңызды қадам болуы мүмкін.