Наши постоянные читатели, вероятно, уже знают, что фотоника считается одним из самых многообещающих направлений в сфере высоких технологий. Однако, поскольку носителями сигнала здесь служат кванты света — будь то инфракрасное, ИК или видимое излучение, — характерные габариты фотонных волноводов и логических схем оказываются значительно больше — на несколько порядков, — чем те, что привычны для современных кремниевых электронных цепей. С точки зрения крайне затратных вычислений, необходимых для обучения и работы больших языковых моделей, это серьёзный недостаток: ведь функционирование глубоких плотных нейросетей в конечном счёте сводится к операциям матричного умножения сотен миллиардов, а то и триллионов элементов. Если каждое перемножение сигнала на весовой коэффициент в очередном слое нейросети выполнять не в оперативной памяти традиционного компьютера, а на отдельном физическом узле фотонного процессора, то объём, который займёт такой вычислитель — при условии, что на нём будет запущена современная большая языковая модель (БЯМ) наподобие GPT-5, — превысит все разумные рамки. К тому же для изготовления даже таких крупномасштабных (по стандартам современной микроэлектроники) схем придётся разрабатывать, пусть и не с нуля, полный технологический процесс. Ведь кремний, технологии обработки которого современная микроэлектроника довела почти до совершенства, является непрямозонным полупроводником и поэтому плохо подходит для упорядочивания и обработки потоков даже ИК-излучения, не говоря уже об оптическом.
Дорого, долго, громоздко — такими словами можно описать усилия по доведению до ума даже самых перспективных из существующих сегодня прототипов фотонных вычислителей. Почему же исследователи, продолжающие их совершенствовать, по-прежнему сохраняют оптимизм — особенно в отношении такого, казавшегося ещё недавно многим экспертам тупиковым, направления, как кремниевая фотоника?
Художественное представление металлических наночастиц, помогающих атомам кремния преодолевать присущую этому материалу непрямозонность, вкупе с пояснительным графиком (источник: Nano Letters)
⇡#Сейчас здесь будет ярко
Кратко напомним (ранее мы уже подробно это обсуждали), в чём заключается главная проблема кремния как основного материала для создания фотонных вычислительных цепей. Из-за непрямозонной структуры этого широко используемого в микроэлектронике полупроводника возникают дополнительные энергетические и временные затраты при переходе электрона из свободного состояния в валентное с излучением фотона, что делает кремниевые источники когерентного света (лазеры) крайне неэффективными. Поэтому для создания квантово-оптических интегральных микросхем (КОИС; на английском — photonic integrated circuits, PIC) приходится прибегать к гибридной технологии. Волноводы и логические схемы изготавливаются методами стандартной фотолитографии на основе пластин кремния-на-изоляторе (silicon on insulator, SOI), а мини- и нанолазеры, подающие физические носители информации — фотоны — на эти схемы, приходится создавать отдельно из более подходящих (прямозонных) материалов. В итоге КОИС оказываются не только крупнее сверхбольших интегральных схем (СБИС), использующих электроны в качестве носителей информации, но и значительно дороже в производстве. А учитывая, насколько современные большие языковые модели чувствительны к стоимости «железа», на котором они работают, гибридные схемы изначально проигрывают интегрированным монолитным. Использовать же прямозонные полупроводники для создания волноводов и схем — это снова вкладывать огромные средства в течение десятилетий в развитие совершенно нового направления микропроцессорной индустрии, что в текущих макроэкономических условиях не под силу даже сверхдержаве, не говоря уже о частных компаниях.
Именно поэтому кремниевая ветвь фотоники всё ещё остаётся одним из самых перспективных направлений: ведь с этим химическим элементом, вторым по распространённости в земной коре, человечество за последние полвека научилось работать весьма эффективно. И вот в апреле 2026 года учёные из Калифорнийского университета в Ирвайне (UC Irvine) добились прорыва, показав, что кремниевые структуры способны эффективно излучать свет — без значительных тепловых потерь, вызванных непрямозонностью этого материала. Примечательно, что для этого не потребовалось как-то особенно сложно менять состав или структуру самого популярного у производителей чипов полупроводника. Важно, что исследователи под руководством доктора Алексея Носкова (Dr. Aleksei I. Noskov) заставили излучать достаточно широкополосный свет самый обычный объёмный кремний с кубической кристаллической решёткой, а не какие-то тонкие плёнки или сложные пространственные конфигурации атомов Si.
(a) Схема оптических переходов в объёмном кремнии. Подобно процессам поглощения, переходы из нижней части зоны проводимости требуют участия фононов для сохранения импульса, что приводит к изначально низкой эффективности излучения объёмного кремния. (b) Спектр излучения объёмного кремния, показывающий вклад рамановского рассеяния в видимом диапазоне (синий) и фононно-усиленное излучение из нижней части зоны проводимости в ближнем инфракрасном диапазоне (красный) (источник: Nano Letters)
Вот переписанный HTML-контент с сохранением всех тегов и смысла, но с изменёнными словами и структурой предложений:
Причину, по которой непрямая зонная структура кремния ухудшает его способность служить источником света, можно объяснить так. Импульс фотона в оптическом или инфракрасном диапазоне не особенно значителен по сравнению с импульсом электрона, перемещающегося по (полу)проводнику внутри СБИС: скорость электрона намного ниже скорости света, однако он обладает массой — и в результате его импульс оказывается заметно больше, чем у фотона, лишённого массы. При этом излучательная рекомбинация — тот самый процесс перехода электрона из свободного состояния в валентное с выделением фотона, о котором мы упоминали ранее, — обязательно подчиняется законам сохранения как энергии, так и импульса. Различие между импульсами недавно свободного электрона и фотона, испущенного атомом кремния после рекомбинации, вызывает появление фонона — то есть возбуждает колебания кристаллической решётки, что в конечном счёте приводит к нагреву материала.
Примечательно, что в 2024 году коллектив ученых во главе с Сергеем Харинцевым (Sergey S. Kharintsev) из Института физики Казанского (Приволжского) федерального университета (в состав которого на тот момент входил, в частности, и Алексей Носков), а также Тель-Авивского университета, под координацией специалистов из того же UC Irvine, продемонстрировал, что естественное ограничение на максимальный импульс фотона можно значительно снизить, если сосредоточить свет в крошечном пространстве — буквально нанометрового масштаба. Суть в том, что на таких дистанциях начинает действовать принцип неопределенности Гейзенберга — в данном контексте запрет на одновременное точное измерение пространственных координат и импульса квантового объекта. Если фотон оптического или инфракрасного излучения, сам по себе не обладающий высокой энергией, оказывается в наноловушке с размерами всего в несколько нанометров, то есть неизбежно фиксирует свое положение в пространстве с высокой точностью, его распределение импульса, строго следуя правилу неопределенности, существенно расширяется — на три десятичных порядка. Это не означает, что часть фотонов видимого света чудесным образом превращается в ультрарентгеновские: речь идет о вероятностном распределении спектра, вызванном квантовыми эффектами. Тем не менее, полученное таким образом увеличение по сравнению с классическим (наблюдаемым в открытом пространстве, где квантовые свойства частиц не проявляются) импульсом вполне реально и поддается измерению — оно позволяет фотонам практически догнать по этому параметру свободные электроны в кремнии, тем самым компенсируя свойственную материалу непрямозонность.
Характеристики и визуализация поверхностей пластин, покрытых частицами золота с характерными диаметрами 15 нм (b), 5 нм (c) и 1,2 нм (d): (1) АСМ-карты (масштабная линейка 400 нм); (2) оптические изображения в светлом поле при использовании белого света; (3) Рамановские карты на фононной линии кремния 521 обратных сантиметров; (4) карты фотолюминесценции (ФЛ) при 630 нм; (5) карты ФЛ при 1000 нм, отражающие фонон-опосредованную люминесценцию кремния из нижней части зоны проводимости в точке X. Масштабная линейка для всех оптических изображений составляет 5 мкм. Примечание: карты ФЛ при 630 нм для образцов 15 нм (b4) и 5 нм (c4) увеличены в 15 раз (источник: Nano Letters)
Коллектив под руководством доктора Носкова нанёс на кремниевую подложку сверхмалые металлические частицы с характерными размерами менее 2 нанометров. Промежутки между ними образовали те самые квантовые ловушки, в которых импульс фотонов, следуя принципу неопределённости, обретает невиданный ранее вероятностный разброс. И сразу же проявился эффект: под действием направленного на образец пучка обычного света кремниевая поверхность начала интенсивно испускать ответные фотоны в чрезвычайно широком диапазоне частот — от видимого до ближнего инфракрасного. Экспериментально была достигнута эффективность излучения на уровне прямозонных полупроводников — поразительный результат для обычного объёмного кремния. Получается, что взаимодействие света и материи теперь можно организовывать совершенно иным, ранее недоступным инженерам способом — опираясь не на фиксированную электронную структуру материала, а на управление импульсом квантов света.
Для непрямозонных полупроводников теперь открывается возможность «диагональных» переходов (в системе координат энергия–импульс; подробнее об этом — в поясняющей схеме из нашей предыдущей статьи, посвящённой квантовой фотонике). В случае объёмного кремния это означает появление нового механизма излучательной рекомбинации с минимальными тепловыми потерями. Свет обретает способность напрямую управлять электронными переходами в материалах — и это, как утверждают учёные из UC Irvine, закладывает фундамент для создания полностью интегрированной кремниевой фотоники, позволяя объединять источники света, детекторы и электронные схемы на одной платформе. Причём кремний — не единственная возможная основа: фотонные состояния с управляемым импульсом (momentum-engineered photonic states) применимы и к другим материалам. В сравнении с подходом, который предполагает наделение привычных материалов новыми свойствами за счёт изменения их геометрии (например, двумерные полупроводники), контроль над импульсом фотонов выглядит более экономичным способом проектирования оптоэлектронных устройств. Безусловно, потребуются ещё долгие годы исследований и экспериментов: недостаточно просто заставить кремний эффективно излучать — необходимо также упорядочить это излучение и разработать соответствующую схемотехнику для логических цепей, которые и будут выполнять фотонные вычисления. Однако перспектива использовать весь инженерный и технологический опыт, накопленный кремниевой полупроводниковой индустрией, настолько привлекательна, что преодоление существующего разрыва в эффективности между электроникой и фотоникой именно таким путём представляется, пожалуй, наиболее реалистичным.
Сверху: пакет синусоидальных волн с различными частотами; снизу: тот же пакет, но уже в координатах «частота — интенсивность», как иллюстрация того, почему именно группу волн с близкими частотами называют гребёнкой (источник: NIST)
⇡#Нужно больше фотонов
Как и инженерные изыскания, научный поиск никогда не движется по одному пути: наряду с многообещающей темой, которая сулит реальные плоды лишь в далёком будущем, обязательно развиваются и другие направления — с более близкой перспективой, но с гораздо большей вероятностью успеха. Кремниевая фотоника не стала исключением: пока кремниевые источники света с управляемыми импульсными фотонными состояниями находятся на самых ранних стадиях лабораторных экспериментов, серийные (пусть и мелкосерийные) устройства этого типа, выполненные по более привычным технологиям и использующие внешнюю лазерную подсветку, совершенствуются постепенно.
Например, группа профессора Михаль Липсон (Michal Lipson) из Колумбийского университета в октябре 2025 года опубликовала в Nature Photonics отчёт о значительном, по словам самих исследователей, прорыве в области организации той самой внешней подсветки для кремниевых фотонных интегральных схем. Команда создала источник, излучающий мощную частотную гребёнку (high-power frequency comb, то есть набор фотонных потоков, равномерно распределённых по частотам, получаемый от одного лазера благодаря эффекту Керра с использованием миниатюрных резонаторов) и интегрированный непосредственно на кремниевый фотонный чип. Это позволило отказаться от необходимости применять несколько лазеров для генерации разных длин волн, а также добавить сам источник излучения к уже реализуемым на таких чипах ключевым компонентам оптических схем — волноводам, модуляторам и фотодетекторам. Группа профессора Липсон использовала многомодовый лазерный диод: действительно мощный оптический источник, но, к сожалению, не отличающийся высокой стабильностью. Чтобы компенсировать этот недостаток диода, исследователи стабилизировали лазерные лучи, пропуская их через кремниевые структуры — сформированные, разумеется, на той же подложке, что и остальные узлы фотонной интегральной схемы. После стабилизации исходный высокоинтенсивный поток фотонов разделяется на ту самую гребёнку, позволяя использовать разные частоты в пределах одной оптической схемы для решения различных задач. Понятно, что сам многомодовый диод при таком подходе по-прежнему приходится создавать отдельно от фотонной интегральной схемы, но уже тот факт, что в данном случае требуется всего один такой диод и что разночастотные пучки квантов света формируются всё-таки на самой микросхеме, упрощает и удешевляет создание существенно многокомпонентных кремниево-фотонных вычислителей.
На данный момент основная сфера применения квантовой фотоники — это цифровые коммуникации, однако эпоха высокопроизводительных вычислений на базе этой технологии неуклонно приближается (источник: Imec)
В ноябре прошлого года генеральный директор Шэньсийского института передовых оптоэлектронных технологий Ян Цзюньхун объявил, что его учреждение готово предложить партнёрам услуги в области НИОКР и опытного производства оптоэлектронных и кремниевых фотонных чипов, используя интеграционную платформу, разработанную в этом институте. Эта платформа базируется на стандартных 8-дюймовых кремниевых пластинах и применяет 130-нм технологический процесс на оборудовании известной бельгийской компании Imec. Суть предлагаемой интеграции заключается в том, что для создания фотонных интегральных схем (ФИС) по внешним проектам (или после совместной разработки с Шэньсийским институтом) будет использоваться проверенный и отлаженный исследователями набор из более чем 60 ключевых инструментов и систем — от фотолитографического оборудования до испытательных стендов.
Пожалуй, самое интересное в этом сообщении — это краткий перечень городов КНР, где «уже функционируют аналогичные пилотные линии по производству кремниевой фотоники», ориентированные на гетерогенную интеграцию, то есть на совместное использование фотонных и полупроводниковых микросхем в рамках единой системы: Ухань, Пекин, Шанхай и Чунцин. Поскольку освоение китайскими коллегами самых передовых микроэлектронных производств по понятным причинам замедляется, вполне возможно, что именно для них ФИС, не требующие производственных норм менее 90 нм (почему это так — мы уже подробно объясняли), станут более привлекательным объектом для инвестиций, чем попытка воспроизвести ультрасовременные EUV-фотолитографы. Да, использовать фотонные вычислители для веб-сёрфинга или запускать на них Crysis вряд ли кому-то придёт в голову, но обучение с их помощью триллионных по числу рабочих параметров больших языковых моделей (а возможно, и выполнение инференса) наверняка окажется дешевле, чем применение для тех же целей доступных в КНР полупроводниковых серверных вычислителей.
Кремниево-фотонные микросхемы для оптических межсоединений с пропускной способностью до 400 Гбит/с в дата-центрах уже изготавливают серийно на 300-мм пластинах (источник: Imec)
Однако не только Китай активно развивает традиционную (не основанную на источниках света с управляемыми импульсными фотонными состояниями) кремниевую фотонику. В Соединённых Штатах, которые пока уверенно лидируют в мире как по числу дата-центров, так и по оснащению их ИИ-вычислителями на стандартных сверхбольших интегральных схемах, сложности возникают уже на этапе обмена информацией внутри ЦОДов. Максимально широкую пропускную способность здесь гарантируют оптические линии связи, которые за последние десять с лишним лет прошли внушительный путь — от 10 и 25 Гбит/с, достаточных для распределённых корпоративных задач и веб-приложений, через 40 и 100 Гбит/с к перспективным 200 и 400 Гбит/с, ставшим необходимыми для обработки по-настоящему крупных объёмов данных и ресурсоёмких приложений. Сейчас, когда нагрузки ИИ порождают колоссальные информационные потоки, обсуждается внедрение оптических каналов внутри ЦОДов и на скорости 800 Гбит/с. Недавно ряд компаний, среди которых AMD, Broadcom, запрещённая в России Meta✴*, Microsoft, Nvidia и OpenAI, объединились для создания (optical compute interconnect multi-source agreement). Задача этой инициативы — сформировать под руководством тех гиперскейлеров, которые больше других нуждаются в эффективных высокоскоростных соединениях, открытую экосистему. Она должна поддерживать развитие многовендорной цепочки поставок для таких межсоединений — с особым акцентом на их дальнейшую масштабируемость. Консорциум уже представил предварительную версию спецификации оптического интерфейса 200G, разработанного специально для крупных ИИ-сетей.
