Ученые НИУ МИЭТ и МПГУ создали энергонезависимые фотонные элементы, на основе которых можно создать полностью отечественную систему вычисления по принципу работы человеческого мозга, уверяют разработчики. Результаты исследования опубликованы в ведущем международном научном журнале Acta Materialia (Impact Factor 8.2).
Нанофотоника занимается разработкой многофункциональных материалов с новыми оптическими свойствами и фотонными устройствами на их основе, к примеру, фотонными интегральными схемами (ФИС), предназначенными в том числе для создания оптических компьютеров. Фотонная интегральная схема – «продвинутый аналог» традиционной электронной схемы, но в которой основным носителем информации выступают фотоны вместо электронов.
Идея разработки вычислительных компьютеров на основе фотонов возникла еще в 1980-1990-х годах, так как световые потоки могут обеспечить больший потенциал для проведения аналитических операций. Сегодня применение фотонных интегральных схем уже позволяет выполнять простейшие вычислительные операции и значительно повышает производительность современных оптоэлектронных и оптических устройств. Одним из следующих шагов развития данного направления должна стать аппаратная реализация полностью оптических нейроморфных вычислений.
Концепция нейроморфного компьютинга (вычисления) схожа по принципу с работой человеческого мозга, то есть со сложной нейронной сетью с множеством параллельно выполняемых операций. Как следствие, ей необходима база, которая обеспечит высокоскоростную передачу и обработку массивов данных, что может быть обеспечено разработанными российскими учеными нанофотонными элементами, считают ученые из МИЭТ и МПГУ.
«Нейроморфные вычислительные системы должны максимально быстро и энергоэффективно обрабатывать информацию. В результате сотрудничества ученых из разных научных организаций нам удалось отработать технологии синтеза необходимых материалов и создания фотонных интегральных схем на их основе для потенциальной реализации таких нейроморфных вычислений. И, главное, все наши разработки локализованы в России», – рассказал старший научный сотрудник Института ПМТ НИУ МИЭТ, к.т.н. Петр Лазаренко.
 |
| Загрузка в камеру изготовленного чипа для проведения контрольно-измерительных испытаний. |
Ученые из НИУ МИЭТ и МПГУ продемонстрировали возможность создания энергонезависимых фотонных элементов на основе тонких пленок халькогенидного соединения германия, сурьмы и теллура Ge2Sb2Te5. Исследовательская группа научилась управлять свойствами тонких пленок Ge2Sb2Te5, сформированных поверх волновода (направляющий канал, по которому может распространяться волна) за счет изменения их состояния между аморфным и кристаллическим. Так разработчики смогли получить контроль над уровнем сигнала на выходе из волновода, что позволило открыть новые возможности дальнейшего проведения вычислительных операций.
«Интенсивность света на выходе волновода в случае, когда материал Ge2Sb2Te5 находится в кристаллическом состоянии, крайне низка (логический ноль), а в аморфном наоборот — велика (логическая единица). На предыдущем этапе мы научились записывать логические 0 и 1. Сейчас нам удалось сформировать фотонные интегральные элементы, обеспечивающие переключение между девятью логическими состояниями с разной степенью кристалличности, что уже позволяет записать и энергонезависимо хранить три бита информации в одной ячейке. Данные элементы одновременно являются управляющими и выполняющими функцию памяти», – рассказал старший научный сотрудник Лаборатории квантовых детекторов МПГУ, к.ф.-м.н. Вадим Ковалюк.
 |
| Ученые МПГУ, НИУ МИЭТ и НПК ТЦ, принимавшие участие в проекте. |
При этом ученые улучшили рабочие характеристики устройств на основе Ge2Sb2Te5 за счет химической модификации. Совместно с ИОНХ РАН им. Курнакова и ИТЭФ (НИЦ «Курчатовский институт») сотрудники вузов модифицировали функциональные пленки ионами олова. Это позволило снизить энергопотребление и предотвратить самопроизвольное стирание данных на оптических устройствах. Большой вклад в разработку внесли фундаментальные исследования, направленные на выявление химических и структурных изменений, протекающих в легированных Sn тонких пленках Ge2Sb2Te5 в результате лазерного облучения. Серия экспериментов проводилась в Венгрии под руководством научного сотрудника Института ядерных исследований «ATOMKI» Венгерской академии наук Виктора Такаца и при непосредственном участии аспиранта Института ПМТ Виктории Глухенькой (НИУ МИЭТ). Более подробно возможности и вопросы химической модификации были рассмотрены и опубликованы нами в виде обзора в журнале «Russian Chemical Reviews» (Impact Factor 7,5), уточнил Лазаренко П.И.
В настоящий момент проектирование фотонных интегральных схем проводится Зеленоградским нанотехнологическим центром (ЗНТЦ) и научно-производственным комплексом «Технологический центр». Данные центры обладают необходимым оборудованием для апробации решений в производственном масштабе, уточнили в НИУ МИЭТ.
Разработки ведутся в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет 2030» при поддержке Российского научного фонда (проект № 20-79-10322 «Интегральные устройства нанофотоники на основе изменяющих фазовое состояние халькогенидных полупроводниковых материалов» на 2020-2023 гг.).
