Крошечный квантовый коммутатор обеспечит сверхбыструю работу центров обработки данных
Каждую секунду терабайты данных путешествуют по миру в виде импульсов света в оптоволоконных кабелях. Эти кабели функционируют как сверхскоростные автомагистрали, но, когда данные достигают пункта назначения в центрах обработки данных, требуется система, чтобы эффективно их направлять. Это похоже на то, как светофоры помогают автомобилям упорядоченно съезжать с автомагистралей.
Фотонные переключатели, которые направляют эти оптические сигналы, долгое время сталкивались с компромиссом между размером и скоростью. Большие переключатели могут обрабатывать больше данных на более высоких скоростях, но потребляют больше энергии, занимают больше места и увеличивают затраты.
Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета разработали новый фотонный переключатель, который решает эту проблему. Имея размеры всего 85 на 85 микрометров — меньше крупинки соли — этот новый переключатель готов произвести революцию в том, как данные перемещаются по глобальным сетям. Управляя светом на наноуровне с беспрецедентной эффективностью, новый коммутатор ускоряет процесс передачи данных по оптоволоконным кабелям, которые опоясывают весь земной шар.
«Здесь имеется потенциал для ускорения всего, от потокового видео до обучения ИИ», — сказал Лян Фэн, профессор материаловедения и инженерии и электротехники и системной инженерии.
Новый переключатель опирается на неэрмитову физику - раздел квантовой механики, который изучает, как определенные системы ведут себя необычным образом, предоставляя исследователям больше контроля над поведением света.
«Мы можем настраивать усиление и затухание материала, чтобы направлять оптический сигнал к правильному выходу информационной магистрали», — говорит Силин Фэн, докторант в области системной инженерии.
Другими словами, уникальная физика в действии позволяет исследователям укротить поток света на крошечном чипе, обеспечивая точный контроль над связностью любой световой сети. В результате новый коммутатор может перенаправлять сигналы за триллионные доли секунды с минимальным потреблением энергии.
«Это примерно в миллиард раз быстрее, чем моргнуть глазом», — говорит Шуан Ву, докторант в области материаловедения и инженерии. «Предыдущие коммутаторы были либо маленькими, либо быстрыми, но очень, очень сложно достичь этих двух свойств одновременно».
Новый переключатель также примечателен тем, что частично изготовлен из кремния - недорогого и широко распространенного стандартного материала. Теоретически включение кремния в коммутатор облегчит масштабирование устройства для массового производства и широкого внедрения в промышленности. Кремний является ключевым компонентом в большинстве технологий, от компьютеров до смартфонов, а создание устройства с использованием кремния делает его полностью совместимым с существующими кремниевыми фотонными литейными заводами, которые производят передовые чипы для таких устройств, как графические процессоры.
Поверх кремниевого слоя переключатель состоит из особого типа полупроводника, изготовленного из фосфида арсенида индия-галлия (InGaAsP) — материала, который особенно эффективен при управлении светом в инфракрасном диапазоне, который обычно передается по подводным оптоволоконным кабелям.
Соединение двух слоев оказалось сложной задачей и потребовало многочисленных попыток создания рабочего прототипа.
«Это похоже на приготовление сэндвича», — сказал Силин Фэн, имея в виду добавление слоев друг к другу. «Только в этом случае, если бы любой из этих слоев был смещен хотя бы на крошечный градус, сэндвич был бы совершенно несъедобным».
«Выравнивание требует точности до нанометра», — отмечает Ву.
По заявлению исследователей, новый коммутатор принесет пользу не только ученым-физикам, которые теперь смогут глубже изучить неэрмитову физику, но и компаниям, которые обслуживают и строят центры обработки данных, а также миллиардам пользователей, которые на них полагаются.
«Данные могут передаваться только с той скоростью, с которой мы можем их контролировать», — говорит Лян Фэн. «И в наших экспериментах мы показали, что предел скорости нашей системы составляет всего 100 пикосекунд».