Инженеры из Калифорнийского университета в Беркли создали новый фотонный переключатель, который может управлять направлением света, проходящего через оптические волокна, быстрее и эффективнее, чем когда-либо. Этот оптический «гаишник» может однажды революционизировать, как информация передается через центры обработки данных и высокопроизводительные суперкомпьютеры, которые используются для искусственного интеллекта и других приложений, интенсивно использующих данные.

Фотонный переключатель состоит из более чем 50 000 микроскопических «световых переключателей», каждый из которых направляет один из 240 крошечных световых лучей, чтобы либо повернуть направо, когда переключатель включен, либо пройти прямо через него, когда переключатель выключен. Массив переключателей 240 на 240 выгравирован в кремниевую пластину и занимает площадь, немного превышающую почтовую марку.

«Впервые в кремниевом коммутаторе мы приближаемся к большим коммутаторам, которые люди могут создавать только с использованием оптоволоконной оптики», — сказал Мин Ву, профессор электротехники и компьютерных наук в Калифорнийском университете в Беркли и старший автор статьи, которая появляется, когда в журнале Оптика . «Наши коммутаторы не только большие, но и в 10 000 раз быстрее, поэтому мы можем переключать сети передачи данных интересными способами, о которых мало кто задумывался».

В настоящее время единственные фотонные переключатели, которые могут управлять сотнями световых лучей одновременно, построены с зеркалами или линзами, которые должны быть физически повернуты для переключения направления света. Каждый ход занимает около одной десятой секунды, что составляет эоны по сравнению со скоростью передачи электронных данных. Новый фотонный переключатель построен с использованием крошечных интегрированных кремниевых структур, которые могут включаться и выключаться за доли микросекунды, приближаясь к скорости, необходимой для использования в высокоскоростных сетях передачи данных.

Центры обработки данных, где хранятся наши фотографии, видео и документы, хранящиеся в облаке, состоят из сотен тысяч серверов, которые постоянно отправляют информацию туда и обратно. Электрические коммутаторы действуют как гаишники, следя за тем, чтобы информация, отправляемая с одного сервера, доходила до целевого сервера и не терялась в процессе работы.

Но поскольку скорость передачи данных продолжает расти, мы достигаем пределов того, с чем могут справиться электрические выключатели, сказал Ву.

«Электрические выключатели генерируют так много тепла, что, хотя мы могли бы втиснуть больше транзисторов в выключатель, выделяемое ими тепло начинает создавать определенные ограничения», — сказал он. «Ожидается, что индустрия продолжит эту тенденцию еще на два поколения, и после этого что-то более фундаментальное должно измениться. Некоторые люди думают, что оптика может помочь».

Вместо этого серверные сети могут быть соединены с помощью оптических волокон, а фотоновые коммутаторы выступают в роли гаишников, сказал Ву. Фотонные выключатели требуют очень мало энергии и не генерируют тепло, поэтому они не сталкиваются с такими же ограничениями, как электрические выключатели. Однако современные фотонные переключатели не могут вместить столько соединений, а также страдают от потери сигнала — по существу, «ослабляя» свет, когда он проходит через переключатель — что затрудняет чтение закодированных данных, как только они достигают места назначения.

В новом фотонном переключателе лучи света проходят через перекрещивающийся массив нанометровых каналов, пока не достигнут этих отдельных переключателей света , каждый из которых построен как микроскопический путепровод для автострады. Когда переключатель выключен, свет проходит прямо через канал. При подаче напряжения включается переключатель, который опускает рампу, которая направляет свет в более высокий канал, который поворачивает его на 90 градусов. Другая рампа опускает свет обратно в перпендикулярный канал.

«Это буквально как съезд с автострады», — сказал Ву. «Весь свет идет вверх, поворачивается на 90 градусов, а затем возвращается вниз. И это очень эффективный процесс, более эффективный, чем то, что делают все остальные в области кремниевой фотоники. Именно этот механизм позволяет нам снизить выключатели «.

Команда использует технику, называемую фотолитографией, чтобы вытравить переключающие структуры в кремниевые пластины . В настоящее время исследователи могут создавать структуры из массива 240 на 240 — 240 входных и 240 световых выходов — с ограниченными потерями света , что делает его самым большим из когда-либо известных кремниевых переключателей. Они работают над совершенствованием своей технологии производства, чтобы создать еще большие переключатели.

«Большие коммутаторы, которые используют оптовую оптику, коммерчески доступны, но они очень медленные, поэтому их можно использовать в сети, которую вы не меняете слишком часто», — сказал Ву. «Теперь компьютеры работают очень быстро, поэтому, если вы хотите идти в ногу со скоростью компьютера, вам нужно гораздо более быстрое реагирование на коммутатор. Наш коммутатор такого же размера, но гораздо быстрее, поэтому он будет обеспечивать новые функции в сетях центров обработки данных».