Фотоника

В настоящее время на рынке AR очков сложно найти технологию (а возможно ее и вообще не существует), которая позволила бы сделать AR очки не только уделом гиков, но и внедрить технологию в повседневную жизнь людей. В этом посте мы хотим рассказать о том, как попробовали придумать и собрать AR очки на основе новой технологии. Ну а попутно расскажем, по каким граблям ходили и в какую сторону лучше двигаться не стоит.

Введение

Все мы, наверное, в той или иной степени сталкивались с девайсами в виде AR очков. Но не все знают, почему так сложно сделать хорошие носимые устройства, которые смогли бы обеспечить пользователя изображением, не уступающим по качеству изображениям современных мониторов и экранов, имели бы небольшой размер, сравнимый с габаритами обычных очков для коррекции зрения, и могли бы работать без подзарядки на протяжении всего дня. Более подробно про современное положение дел и проблемы в области AR можно почитать тут: ссылка

Рис. 1: верхний рисунок глаз человека может фокусироваться на объекты, удаленные на расстояние больше 15 см, нижний рисунок для создания изображения в системе дополненной реальности необходимо использование прозрачного оптического элемента, который искусственно отдалит изображение на комфортное для человека расстояние.

Кратко, если нет времени читать предыдущий рекомендованный пост

Глаз человека очень сложный биологический сенсор. Считается, что порядка 80% всей информации об окружающем мире человек получает через глаза. Эволюционно сложилось так, что человеческий глаз может фокусироваться на предметы, которые находятся на удалении от 15 см до (бесконечности) (рис.1 (верхний)).

Такая особенность хороша для повседневной жизни в реальном мире, но является трудно преодолимой проблемой при разработке систем AR. В системе AR очков недостаточно просто отобразить изображение на дисплее или экране по средствам включения или выключения пикселя/мини-светодиода. Если в AR очки установить обычный дисплей, то он будет располагаться на расстоянии 2 3 см от глаз, куда человеческое зрение не в состоянии сфокусироваться. Чтобы решить эту проблему, необходимо пропустить изображение через оптическую систему и сделать так, чтобы глазу казалось, что изображение удалено на комфортное для зрения расстояние (рис. 1(нижний)). Вся сложность заключается в том, как изготовить такую оптическую систему, да так, чтобы эта система была прозрачной (для наблюдения реального окружающего мира), малой по размеру (как обычные очки), выдавала изображение высокого разрешения (конкурентоспособное в современном мире дисплеев), отображала изображение при различной ориентации глаза (глаз постоянно двигается и постоянно перемещается его оптическая ось) и т.д.

В настоящее время есть большое количество подходов и технологий, как обмануть глаз и заставить его думать, что изображение удалено на нужное расстояние, при том, что оно генерируется в паре сантиметров от глаз. Однако по тем или иным причинам уже существующие технологии не подходят для создания массового продукта в виде AR очков.

На основе знаний в области оптики, фотоники и современных технологий дополненной реальности мы попробовали разработать свою технология, которая по некоторым параметрам явно превосходит существующие аналоги.

Мини-предыстория

Все началось с университетской научной деятельности. Мы занимались изготовлением больших наноструктурированных поверхностей методом лазерной интерференционной литографии. Итоговые поверхности представляли собой протравленные по маске фоторезиста нанорешётки на поверхности кремния или стекла с характерным периодом 400 нм 5 мкм.
На одном из лит. обзоров попалась статья про использование мини дифракционных решеток для создания 3D дисплея (хотя это слишком громкое название для такого рода устройств). В работе предлагалось под каждым пикселем LCD дисплея устанавливать разно-ориентированные мини дифракционные решётки (рис. 2). Такая конструкция позволяет пикселю светить только в фиксированном направлении. А если правильно подобрать направления свечения всех пикселей, то можно добиться того, что каждый глаз будет видеть свое изображение, что в свою очередь приводит к появлению стереоэффекта, ну или как авторы называют это в своей работе 3D дисплею.

Рис. 2: a сканирующая электронная микроскопия одной дифракционной решётки, b один воксель (пиксель в 3D изображении) состоит из нескольких разноориентрованных решёток, с полноволновое моделирование диаграммы направленности от 64-лучевой подсветки, d поперечный срез диаграммы по пунктирной линии.

Не будем вдаваться в детали чужой технологии. Все подробности можно прочитать по ссылке: David Fattal. Скажу только, что на основе данной технологии был разработан смартфон RED Hydrogen One c 3D дисплеем (см. анимацию).

Анимация: Работа дисплея смартфон RED Hydrogen One со стерео/3D дисплеем.

Первоначально была идея использовать подобные решетки для создания AR очков. Предполагалось, что если спроектировать систему так, чтобы все решетки перенаправляли свет пикселей в одну точку, совпадающую с центром зрачка глаза наблюдателя, то можно добиться построения необходимого изображения на сетчатке. Такой принцип работы схож с технологией Virtual Retinal Display (VRD), использующейся в очках дополненной реальности North Focals. Однако использовать отдельные решетки для фокусировки не самый оптимальный и очень затратный подход. Гораздо лучше использовать голографические линзы, которые значительно проще в изготовлении и обладают теми же оптическими свойствами, что и решётки. Так появилась технология дополненной реальности на основе голографического оптического волновода.

Голографический оптический волновод

Рис.3: верхний рисунок объемный вид работы голографического оптического волновода, нижний рисунок сечение голографического оптического волновода с трассировкой лучей подсветки параллельным пучком.

Основным элементом технологии является голографический оптический волновод структура, состоящая из нескольких слоев различного назначения. Основной слой это планарный оптический волновод (1. Planar waveguide), изготовленный из стекла. При изготовлении одна из граней этого волновода полируется под таким углом, чтобы можно было завести параллельный пучок в волновод и добиться распространения излучения по волноводу по принципу полного внутреннего отражения. Тут стоит отметить, что стекло лучше брать оптически чистое, чтобы достичь распространения излучения по волноводу с наименьшими потерями. Излучение, заводимое в волновод, представляет собой расширенный параллельный лазерный пучок с фиксированной поляризацией (4. backlight). На поверхность планарного волновода укладывается голографическая пленка с записанным в объеме оптическим элементом (линзой) (2. HOE (lens)). Лазерный пучок, распространяющийся по такой структуре, частично высвечивается из-за интерференционных особенностей голографической пленки. Высветившееся излучение представляет собой фокусирующийся пучок фиксированной поляризации (на рис. 3(нижний) показано красными стрелками между слоями 2 и 3), который далее может быть модулирован системой из ЖК-матрицы и поляризационного фильтра (3. LCD matrix). При этом систему матрица + поляризационный фильтр можно настроить так, что активные пиксели (на которые подан управляющий сигнал) либо перекрывают пучок, либо наоборот позволяют оставить его светящимся (такое поведение достигается за счет правильной ориентации поляризационного фильтра по отношению к поляризации высвечивающегося пучка). Высветившийся и промодулированный изображением свет фокусируется в центре зрачка глаза наблюдателя и далее проецируется на задней стороне сетчатки (6. retina). Использование метода фокусирования лазерного излучения в центре зрачка позволяет избежать влияния оптической системы глаза (хрусталика, стекловидного тела и т.д.) на формирование изображения. Поскольку вся схема состоит из оптически прозрачных или частично прозрачных слоев, то через всю систему можно наблюдать окружающий мир (5. external objects) без помех.

К отличительным техническим преимуществам такой схемы по сравнению с другими AR технологиями (MagicLeap, Hololens, North Focals, ) можно отнести:

• Максимальный FOV сравнимый с полем зрения глаза человека (120)
• Высокая компактность, обусловленная расположением активного дисплея (ЖК матрицы) и просмотровой области в одном месте. Потенциально предлагаемая технология может позволить изготавливать очки в форм-факторе обычных очков для коррекции зрения.
• Высокое разрешение генерируемого изображения. Поскольку изображение генерируется не на отдельном мини-дисплее (как это делается у Magic Leap или Hololens) вне просмотровой области, а прямо на очковой линзе.
  Прочие технические параметры не отличаются какими-то выдающимися характеристиками и являются стандартными для технологий AR.

Изготовление голографического оптического элемента (HOE)

Перед непосредственной сборкой всего устройства, была проведена работа по записи необходимых оптических элементов (линз) в объеме голографической пленки.

Более подробно о том, что такое HOE и где они используются, можно прочитать по ссылке. Существует много материалов, которые используются в голографии и которые рассматривались нами: фоторезисты, материалы на основе галогенидов серебра, фотополимерные пленки. Мы решили особо не заморачиваться с процессом отработки нанесения фоторезиста и всеми техническими тонкостями химии фоточувствительных веществ и взяли уже готовую голографическую пленку Covestro Bayfol HX200, которая обладает дополнительным клеящимся слоем, что значительно упрощает запись и перенесение пленки на планарный оптический волновод. Спектральная чувствительность этой пленки является наиболее подходящей для наших задач.

Рис. 4: голографическая пленка Bayfol HX200, вставка спектральная чувствительность пленки ссылка

В качестве записываемого элемента использовалась плосковыпуклая короткофокусная линза N-BK7 Plano-Convex Lens, 1", f = 25 mm. Такой короткий фокус позволяет расположить голографический оптический волновод на фокусном расстоянии линзы так, чтобы фокус пучка совпадал с центром зрачка глаза наблюдателя. То есть в нашем случае AR дисплей будет установлен на расстоянии 25 мм от глаза.

Запись производилась по стандартной методике голографии в темной комнате. В качестве источника излучения использовался лазерный диод на 650 нм из набора LitiHolo. Пучок от лазерного диода расширялся до диаметра используемой оптики 1, после чего при помощи светоделительной пластины 50/50 делился на опорный и предметный пучки. Предметный пучок проходил через записываемый оптический элемент (N-BK7 Plano-Convex Lens, 1", f = 25 mm), а опорный проходил через систему зеркал и под углом проецировался в тоже место голографической пленки, что и предметный пучок. При этом оптическая ось предметного пучка была перпендикулярна поверхности голографической пленки, а оптическая ось опорного пучка составляла порядка 60к нормали. Такой угол записи обусловлен углом полного внутреннего отражения в планарном оптическом волноводе при последующем заведении излучения.

Для контролирования дифракционной эффективности использовались нейтральные фильтры, устанавливаемые в предметном пучке. Дифракционная эффективность рассчитывалась, как отношения между падающим и дифрагированным пучком в процессе оптического восстановления изображения, записанного в объеме голограммы.

Рис. 5: слева схема установки для записи образа оптического элемента, который можно помещать в область, обозначенную пунктиром, справа установка, реализованная на оптическом столе.

Время засветки (экспозиции) и мощность пучков подбирались экспериментально. В нашем случае время засветки составляло 2 мин, мощность опорного пучка 1.96 мВт, мощность предметного пучка 1.68 мВт (наибольшая идентичность мощностей в пучках соответствует случаю наибольшей дифракционной эффективности).

После записи образа короткофокусной линзы, голографическая пленка подвергалась УФ облучению в течение нескольких часов. В качестве источника УФ-света использовалась кварцевая лампа КРИСТАЛЛ. В результате УФ засветки не засвеченная область пленки становилась прозрачной, как показано на рис. 6. (справа). Полученные голографические оптические элементы можно переносить (переклеивать) на подготовленный планарный волновод, который в последующем будет использоваться в AR очках.

Рис. 6: слева пример голографически записанной оптической линзы (область с радужной окраской голографическая линза), справа изменение цвета и прозрачности голографической пленки Covestro Bayfol HX200 в зависимости от длительности пост-засветки УФ кварцевой лампой (от 0 сек (0) до 2 часов (7) с шагом в 15 мин)

Список компонентов для прототипа AR очков:

• Оптический планарный волновод с одной из граней, отполированной под углом 45. Размеры 40мм x 40мм и толщина 4 мм
• Голографическая пленка Covestro Bayfol HX200
• Обычная китайская красная лазерная указка на 650 нм
• Плосковыпуклая короткофокусная линза N-BK7 Plano-Convex Lens, 1", f = 25 mm
• Поляризационная клеящаяся пленка для LCD дисплеев
• ЖК-модуль Nokia 5110 84x48
• Контроллер Arduino Nano
• расходники: провода, кнопки, батарейки и т.д.

Сборка прототипа

Первоначально мы попробовали изготовить стеклянный планарный оптический волновод самостоятельно, используя шлифовальные черепашки (казалось, что для проверки работоспособности прототипа этого будет достаточно). Но такой способ не позволил получить ровного края бокового окна. При обработке образуются сколы в нижней части, где толщина стекла наименьшая, также качество полировки оставляет желать лучшего. Помучившись с полировкой, мы решили заказать планарный волновод фабричного производства с углом при основании 45.

Рис. 7: слева самодельные оптические волноводы (у основания видны сколы), справа планарный оптический волновод фабричного производства.

LCD матрица была взята из ЖК-модуля Nokia 5110 84x48. Для этого аккуратно разобрали дисплей, удалили рассеиватель, подсветку и один из поляризационных фильтров (Рис. 8). В итоге осталась только сама ЖК-матрица и один наклеенный на нее поляризатор. Для удобства миниатюризации припаяли одножильные лакированные провода к контактам ЖК-матрицы (если эти провода не повреждать и особо не гнуть, то их лаковой защиты хватит в качестве изоляции).

Рис. 8: частично разобранный ЖК модуль Nokia 5110 84x48. На фото ЖК-модуль с двумя поляризаторами (когда один из них отклеили, матрица стала значительно более прозрачной)

Записали ряд образцов голографической линзы с разными дозами экспозиции и разным отношением мощностей в опорном и предметном плечах. Выбрали пленку с наибольшей дифракционной эффективностью (дифракционную эффективность оценивали с помощью измерителя мощности оптического излучения) и наибольшей однородностью высвечивания. У выбранного нами образца дифракционная эффективность составила 17%, что достаточно мало. В теории можно изготовить голографические оптические элементы с дифракционной эффективностью до 98%. Далее приклеили голографическую пленку на планарный волновод так, чтобы края голограммы и грани, скошенной под углом 45 планарного оптического волновода, максимально совпадали.

Планарный оптический волновод с приклеенной голографической линзой вставлялся в специальный держатель, распечатанный на 3D принтере. Также в этот держатель устанавливалась LCD матрица с наклеенным на нее поляризатором (рис. 9). Отпечатки пальцев и прочий мусор на поверхности может нарушать условие полного внутреннего отражения, что приводит к высвечиванию пучка в совершенно ненужных местах. Для защиты и предотвращения попадания грязи были использованы защитные окна, изготовленные из предметного стекла.

Рис. 9: конструкция дисплея дополненной реальности.

В качестве источника подсветки использовался лазерный светодиод на 650 нм, с правильно выбранной ориентацией поляризации света. Излучение от лазерного диода проходило через плоско-выпуклую линзу и коллимировалось до параллельного пучка, который в последующем заводился через торец планарного стеклянного волновода. Все параметры конструкции были экспериментально, итерационно подобраны с использованием 3D печати (рис. 10).

Рис. 10: пунктиром выделена область формирования параллельного пучка от лазерного диода (внутри находится линза для преобразования расходящегося пучка в параллельный с последующей проекцией на боковое окно планарного волновода)

Для крепления к голове изготовленного AR дисплея с подсветкой был изготовлен функциональный каркас (рис. 11), изготовленный по образу дужки обычных очков для коррекции зрения. Так как форма головы человека индивидуальна и может отличаться по геометрии и по размеру от изначально подобранных параметров, в конструкцию были добавлены дополнительные регулировочные винты, которые позволяют настроить очки под особенности каждого, а именно добиться совпадения пятна фокусировки от AR дисплея и центра зрачка наблюдателя. В боковые дужки были установлены элементы питания, элементы (кнопки) и блок управления (Arduino Nano). Кнопки необходимы для переключения между картинками и запуска воспроизведения изображений.

Рис. 11: слева конструкция в виде дужки очков, для крепления AR дисплея, справа в одной из дужек спрятан блок управления (Arduino Nano)

В конце-концов все это было настроено и собрано в один автономный девайс (рис. 12).

Рис. 12: первый прототип AR очков на основе голографического оптического волновода.

Конечно, мы не сразу приступили к сборке компактного варианта. Первоначально подбор базовых параметров технологии осуществлялся для прототипа, собранного на оптическом столе. Изображения, полученные в лабораторном устройстве, показаны на рис. 13. После того, как была продемонстрирована работоспособность лабораторной схемы, мы приступил к сборке устройства в компактном форм-факторе (AR очки).

Рис. 13: Изображения наложения цифровой сгенерированной информации на образ окружающего мира (на оптическом столе).

Как можно видеть из рис. 14 компактный протип AR очков работает:)))
К сожалению, изображения, полученные на компактном прототипе (рис. 14), сильно хуже, чем изображения полученные на оптическом столе (рис. 13). Скорее всего, это связано с неправильно подобранным углом заведения излучения и неправильно выставленной ориентацией поляризации лазерного источника. Также можно видеть, что изображение имеет вертикальные дефектные линии, обусловленные неточностью позиционирования голографической пленки с краем планарного волновода. Ну и не стоит забывать, что дифракционная эффективность голографического элемента порядка 17%, что достаточно мало.

Рис. 14: слева прототип очков дополненной реальности, справа изображения наложения цифровой сгенерированной информации на образ окружающего мира (компактный прототип). На изображении: шахматная доска, очки, крест, мишень (видно очень плохо, так как использовалась диф.решётка с низкой диф.эффективностью)

Из минусов технологии:

Разработанная технология отличается высочайшей компактностью. Даже не знаю аналогов, в которых изображение генерировалось прямо в просмотровой области. Как правило, в существующих AR технологиях изображение выводится на микро-дисплее, а затем по оптическому волокну передается в просмотровую область / очковую линзу. Также технология обладает наибольшим FOV, сравнимым с FOV глаза человека.

Но все же есть один недостаток:
Глаз человека находится в постоянном движении (смотрит вправо, вверх, влево, вниз, прямо). Это приводит к тому, что роговица может перекрывать пучок света, проходящий через центр зрачка. Пока не понятно, как оптимально решить проблему с постоянной подстройкой оптической системы (положения фокусного пятна) под положение зрачка пользователя.

А что дальше???

1) На момент написания поста уже одобрена патентная заявка по данной технологии.
2) С учетом допущенных ошибок начинается сборка нового прототипа с улучшенными параметрами (контрастностью изображения, разрешения картинки и т.д.).
3) Будет опробована реализация данной технологии для генерации не только монохромных, но и цветных изображений.
4) Разрабатывается система подстройки фокусного пятна под ориентацию глаза, под положение зрачка наблюдателя. Рассматриваются способы, подобные решениям в области VRD технологий.

В целом, хотя технология находится еще в стадии развития, мы считаем, что разработанный принцип наложения цифрового изображения на образ окружающего мира может послужить базой для разработки новых AR технологий, обладающих высочайшей компактностью и большим просмотровым полем (FOV).

P.S. Если вы шарите в электротехнике или любите Science (оптику, фотонику и т.д.) и у вас есть желание покопаться/поразрабатывать всякие AR хардвар штуки пишите в лс.

P.P.S. Выражаются благодарности всей тиме AR_Global (Анне П, Вере П, Мише Е), которая принимала непосредственное участие в разработке технологии и её реализации в виде прототипа. За поддержку выражается благодарность всему коллективу NanoLab.

Противоположности притягиваются. Этот житейский принцип, касающийся отношений между людьми, далеко не всегда соответствует действительности. Но в физике все так, как говорится: противоположные электрические заряды, к примеру, всегда притягиваются, а сходные отталкиваются. Этот принцип стар, как сам мир, но и его можно подвергнуть некой модификации, если применить другие физические законы и явления. Группа ученых из Саутгемптонского университета (Великобритания) провели исследование, в котором им удалось создать новый тип материала, названный фотонно-связанный экситон. Самый смак заключается в том, что фотоны стали связующим звеном между отрицательно заряженными электронами, которые по логике должны были отталкиваться. Как именно были использованы фотоны, какие особенности изобретенного атома, и в каких областях может использоваться данная разработка? Об этом мы узнаем из доклада ученых. Поехали.

Основа исследования

Как мы уже вспомнили, одноименные заряды (т.е. одинаковые: ++ или -) должны отталкиваться друг от друга, а разноименные (т.е. противоположные: +- / -+) притягиваться. Однако картина такого взаимодействия меняется, если добавить щепотку фотонов, т.е. частиц света. В таком случае добавляется влияние фотоэффекта взаимодействия света и материи, когда энергия фотонов передается материи.

В данном труде ученые создали наноустройство, которое захватывает электроны в наноразмерные квантовые ямы*. Если же фотоны вносят в устройство достаточно много энергии, то это приводит к выходу из ямы электронов. Разместив данное устройство между двумя золотыми зеркалами, можно поймать фотоны в ловушку. За счет этого энергия фотонов будет сфокусирована на электроны, усиливая взаимодействие между светом и материей. Добавление зеркал привело к тому, что отрицательно заряженные электроны оставались в яме (без зеркал фотоны вытесняли их из ямы) и начинали связываться друг с другом.

Квантовая яма* потенциальная яма, ограничивающая подвижность частиц с трех до двух измерений (т.е. частицы начинают двигаться в плоском слое).

Важнейшую роль в работоспособности всей системы, естественно, играют вышеописанные квантовые ямы (QW от quantum well). По словам ученых, на то есть ряд причин.

Во-первых, QW позволяют достичь большей силы связи между светом и материей, которую можно регулировать за счет изменения электронной плотности* в QW.

Электронная плотность* в квантовой механике мера вероятности того, что электрон займет бесконечно малый элемент пространства, окружающего любую условную точку.

Во-вторых, квантовые ямы можно сделать достаточно узкими, что позволит получить одну локализованную электронную подзону, которая не будет иметь никаких межподзонных переходов.

В-третьих, в подобной системе кулоновское взаимодействие не создает связанных состояний.

Из последних двух пунктов следует, что чистые квантовые ямы без окружающего фотонного резонатора вообще не представляют какого-либо дискретного резонанса, а только полосу непрерывного поглощения на частотах, превышающих порог ионизации.

Отсутствие кулоновского взаимодействия обосновано квазипараллельной дисперсией двух электронных подзон, что приводит к отталкивающему электронно-дырочному взаимодействию*.

Электронно-дырочное взаимодействие* (p-n взаимодействие) область соприкосновения двух частиц с разными типами проводимости дырочной (p от positive положительная) и электронной (n от negative отрицательная).

Это сильно отличается от случаев межзонных переходов на более коротких длинах волн, где электронно-дырочное взаимодействие является притягивающим и приводит к созданию узких резонансов вне электронно-дырочного континуума в отсутствие поляритонных эффектов.

Таким образом, формирование поляритонов* может изменять существующие резонансы, но не приводит к созданию новых локализованных электронных резонансов.

Поляритон* частица, являющаяся результатом взаимодействия фотона и возбуждений среды (оптические фононы, экситоны, плазмоны, магноны и т.д.).

Изображение 1: Кулоновский эффект в легированных и нелегированных квантовых ямах. 1а межзонное поглощение нелегированной полупроводниковой квантовой ямы, в котором преобладает экситонный резонанс (EX) ниже энергии запрещенной зоны (EG) и электронно-дырочный континуум над ним; 1b стандартное электронно-дырочное картирование, позволяющее описать одиночную электронную вакансию в валентной зоне как дырку с положительным зарядом и массой; 1с межподзонное поглощение легированной квантовой ямы, содержащей только одно локализованное состояние, и континуум состояний выше первой энергии ионизации квантовой ямы (EI); 1d первоначально заполненная подзона электронов имеет положительную эффективную массу, а электрон-дырочное картирование приводит к положительно заряженной дырке с отрицательной эффективной массой.

Изображения выше являются схемой вышеописанного явления. В случае межзонных переходов в нелегированных квантовых ямах участвующие в переходе электроны изначально занимают валентную зону с отрицательной эффективной массой. Однако в случае межподзонных переходов в легированных квантовых ямах ту же роль играет первая частично заполненная подзона проводимости, имеющая положительную эффективную массу*. При обычном электронно-дырочном картировании это приводит к положительно заряженной дырке с отрицательной эффективной массой.

Эффективная масса* величина, имеющая размерность массы и применяемая для описания движения частицы в периодическом потенциале кристалла.

Эффективная масса электронов в возбужденной подзоне m₂ в квантовых ямах GaAs больше массы в первой подзоне m₁. Это приводит к отрицательно сниженной массе межподзонной электронно-дырочной пары m_r^-1 = m₂^-1 m₁^-1.

При наличии любого притягивающего потенциала двух тел отрицательная масса приводит к отталкивающему электронно-дырочному взаимодействию, которое, в свою очередь, не может создавать связанные состояния.

Для практического подтверждения наличия связанных состояний, опосредованных фотонами, была создана система, состоящая из 13 квантовых ям GaAs / AlGaAs, встроенных в узкие решетчатые золотые микрополостные резонаторы.


Изображение 2: схема экспериментальной установки. 2а распределение компоненты электрического поля, ортогональной металлическим слоям, для одного периода (D) структуры и для моды TM02 ленточного резонатора; 2b микроскопия набора образцов; 2с экспериментальная установка, используемая для измерений отражательной способности (микроскоп среднего инфракрасного диапазона, подключенный к Фурье-ИК-спектроскопу.

Резонаторы представляют собой одномерные ленты, а электромагнитное поле (схема на 2а) почти полностью удерживается под металлическими штифтами.

Размеры квантовых ям были достаточно тонкими, чтобы была лишь одна захваченная подзона проводимости, поскольку наличие второй подзоны привело бы к созданию межподзонных поляритонов.

Если бы было две подзоны, то наличие перехода типа связь-связь привело бы к насыщению имеющейся силы осциллятора, что привело бы к подавлению связь-континуумного перехода, который и должен изучаться в данном тесте.

Для проверки этого важного параметра было изготовлено два образца HM4229 и HM4230, различающиеся шириной квантовой ямы и легированием. Образец HM4229 содержал квантовые ямы GaAs толщиной 4 нм (с шириной L_QW = 4 нм), каждая из которых легирована с плотностью 5 х 1012 см^-2. А образец HM4230 содержал квантовые ямы (L_QW = 3.5 нм), легированные при 4.77 х 1012 см^-2.


Изображение 3: связь-континуумный характер оптического перехода в чистых QW без окружающего фотонного резонатора. 3а измерение пропускания при 300 K для образцов с QW разной ширины L_QW; 3b-3e схемы связь-связь (3b и 3c) и связь-континуумных переходов (3d и 3e) в легированных квантовых ямах.

Переход связь-связь* изменение энергии электрона внутри атома или, реже, внутри молекулы, при котором электрон остается прикрепленным (связанным) к атому или молекуле как до, так и после изменения.

Связь-континуумный переход* (переход связь-континуум) возбуждают носителей в токопроводящие состояния континуума и позволяют использовать перпендикулярный транспорт (носители, движущиеся через переход).
(Infrared absorption of multiple quantum wells: bound to continuum transitions)

На схемах 3b-3е видно, что переходы разных типов (связь-связь и связь-континуум) в разных одночастичных состояниях QW потенциала претерпевают противоположные частотные сдвиги при уменьшении L_QW: у первых возникает синее смещение*, у вторых красное смещение*.

Синее смещение* явление, когда уменьшается длина волны излучения, а частота увеличивается.

Красное смещение* явление, когда увеличивается длина волны излучения (свет становится более красным, например), а частота и энергия уменьшаются.

Это позволило оценить природу оптического перехода за счет анализа спектра пропускания двух образцов до применения золота (3а).

Здесь наблюдается очень широкое поглощение, которое (будучи поперечной магнитной поляризацией) связано с легированными квантовыми ямами. Также наблюдается и более узкая область около 140 мэВ, которая является краем континуума. Ученые отмечают, что данная функция не приводит к синему смещению при уменьшении L_QW, а показывает перенос спектрального веса в красную часть спектра. Связь-связь переход в таком случае привело бы к синему смещению порядка десятков миллиэлектронвольт, доказывая привязанный к континууму характер переходов в чистых QW.

Как уже упоминалось ранее, все образцы были изготовлены в рамках решетки металл-полупроводник-металл и металлических штифтов с шириной р (2а и 2b). Поскольку электромагнитное поле чрезвычайно локализовано под металлическими пальцами, система по существу ведет себя как резонатор ФабриПеро*.

Резонатор ФабриПеро* оптический резонатор, в котором параллельно расположенные зеркала направлены друг на друга. Между этими зеркалами может формироваться резонансная стоячая оптическая волна.

Было изготовлено несколько устройств на основе решеток площадью 200 х 200 мкм с шагом в диапазоне от 800 нм до 5 мкм, что позволяет охватить широкий диапазон частот (2b). Данные по отражательной способности были получены для каждого устройства при температуре 78 К посредством Фурье-ИК-спектроскопа, оснащенного очень компактным криостатом (2c).


Изображение 4: экспериментальные данные по отражательной способности. 4а данные по отражательной способности легированного образца HM4229 в зависимости от частоты резонатора; 4b данные отражательной способности для HM4229 (красный) и чистого резонатора (зеленый) для частот _с = 157.8 мэВ (сплошные линии), _с = 147 мэВ (пунктирные линии) и _с = 141.5 мэВ (штрихпунктирные линии); 4с ширина линий для различных колебаний как функция энергии колебаний.

Результаты данного анализа представлены на графиках выше. На 4а представлена карта отражательной способности образца HM4229 при 78 К как функция частоты чистого резонатора. Если выше порога ионизации (показан черной горизонтальной пунктирной линией) наблюдается континуум поглощения, то ниже появляется узкий поляритонный резонанс. Он сдвинут в красную сторону более чем на 20 мэВ по отношению к чистому резонатору.

На цветовую карту были нанесены пиковые частоты, полученные с помощью множественной аппроксимации данных методом Лоренца. Красные треугольники и синие квадраты отображают соответственно частоты ниже и выше идентифицированного порога ионизации. Для сравнения зелеными кругами отмечена частота чистого резонатора, измеренная на нелегированном образце.

Ниже порога ионизации время жизни дискретной поляритонной моды в основном ограничивается временем жизни резонатора. Выше заметен спектр связь-континуум, в котором можно идентифицировать только очень расширенные и неопределенные особенности.

Сравнение спектров легированных и нелегированных образцов показало, что в легированном образце возникает дискретный резонанс ниже края континуума, тогда как в идентичном, но электромагнитно несвязанном образце его нет.

Подобное гибридное дискретное состояние можно описать как поляритон, плотность электронов которого относительно основного состояния равна:

N(z) = P [|^e(z)|² |^g(z)|²]

где Р (в диапазоне 01) вес поляритонного компонента материи; ^g(z) нормированная волновая функция электрона в его основном состоянии; ^e(z) волновая функция локализованного электронного состояния, порожденного взаимодействием света и материи.


Изображение 5: расчеты P. 5а собственные моды, полученные с помощью теоретической модели с параметрами, выбранными для соответствия экспериментальным данным отражательной способности на цветовой карте; 5b параметры, извлеченные из 5a, которые используются для расчета P для дискретной поляритонной моды.

На 5а визуально отображен результат использования теоретической модели для моделирования наблюдаемого спектра отражательной способности и сравнения его с экспериментальными данными. Эти параметры позволили рассчитать Р (5b).

Из этого модели следует, что дискретный резонанс ниже порога ионизации четко определяется для ненулевых значений P, демонстрируя существенное заполнение генерируемой светом электронной волновой функции ^e(z).

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Данный эксперимент позволил продемонстрировать возможность связывания ионизирующего перехода с фотонным резонатором, что приводит к непертурбативной модификации электронной структуры системы.

В результате получается гибридное поляритонное возбуждение, материальная составляющая которого представляет собой связанное состояние, порожденное взаимодействием света и материи, состоящего из электрона и дырки, удерживаемых вместе благодаря их взаимодействию с поперечным электромагнитным полем.

Как заявляют ученые, возможность настраивать свойства материала за счет связи с фотонным полем микрорезонатора является крайне перспективным направлением.

В данном труде они смогли создать устройство, ограниченное с двух сторон золотыми зеркалами, которые улавливали фотоны и фокусировали световую энергию на электроны, что резко усиливало связь между светом и материей. В ходе экспериментов было замечено, что отрицательно заряженный электрон, выброшенный фотоном, остается в ловушке в квантовой яме, связанный с другими отрицательно заряженными электронами. При этом такая конфигурация остается стабильной за счет воздействия фотонов.

Другими словами, данное исследование показывает возможность создания искусственных атомов нового типа, электронные конфигурации которых можно будет настраивать по собственному желанию.

Фотоника является достаточно молодой отраслью науки, но при этом ее влияние с каждым годом растет, что обусловлено подобного рода исследованиями. Свет, как и многие другие явления, можно сравнить с котом Шредингера: с одной стороны все понятно и очевидно, но если копнуть поглубже, то становится очевидна простая истина сколько бы ответов не получал человек, вопросов всегда будет больше. Тем не менее в поисках ответов на вопросы, по крайней мере в науке, важен не столько сам ответ, сколько путь, ведущий к нему.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Equinix Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

До начала XIX века об этом веществе мало кто знал, а сейчас без него сложно представить современный мир. Найти его можно и в кармане прохожего, и в самых современных лабораториях. Речь, конечно же, о кремнии. За двести с лишним лет своего общения с человеком кремний подарил нам множество новых и удивительных технологий. Он нашел свое применение в металлургии, в химии, в биологии, и, самое главное, в электронике. Список применений кремния очень велик, но благодаря усилиям ученых из университета Суррея (Великобритания) он может пополниться еще одним пунктом. Они провели исследование, в котором установили, что кремний может быть использован в фотонике для создания устройства, которое сможет управлять несколькими световыми лучами. Что под этим подразумевается, как это работает, и какое практическое применение имеет данное открытие? Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых. Поехали.

Основа исследования

Несмотря на свои заслуги перед компьютерными технологиями, для фотоники кремний, как правило, считается крайне плохим выбором. Изменить эту ситуацию можно за счет терагерцовой области электромагнитного спектра и за счет нелинейности.

Терагерцовое (ТГц) излучение это вид электромагнитного излучения, спектр частот которого расположен между инфракрасным и микроволновым диапазонами (3х10¹¹3х10¹² Гц).

Нелинейность же является свойством динамической системы, свойства и характеристики которой зависят от ее состояния. К примеру, в линейной системе изменение амплитуды входящего сигнала на Х приводит к изменению выходного сигнала тоже на Х, а в нелинейной нет. Другими словами, изменения на выходе не пропорциональны изменениям на входе. Ярким примером нелинейной системы является хаос, который на первый взгляд кажется непредсказуемым и совершенно не вписывается в рамки линейных систем.

Таким образом мы имеем дело с нелинейной оптикой, которая изучает явления, возникающие при взаимодействии светового поля и вещества с нелинейной реакцией вектора поляризации на вектор напряженности электрического поля световой волны.

В рамках данного труда ученые отмечают, что нелинейности третьего порядка позволяют контролировать световой импульс в центросимметричных материалах, таких как кремний и диоксид кремния. Для достижения восприимчивости* третьего порядка (⁽³⁾L, где L толщина материала) можно использовать вырожденное четырехволновое смешение*, что также позволяет оптически управлять обнаружением и испусканием фотонов.

Диэлектрическая восприимчивость* мера способности вещества поляризоваться под действием электрического поля. Нелинейные восприимчивости относятся к анизотропным материалам, в которых восприимчивость не одинакова во всех направлениях, как у изотропных. В этих материалах каждая восприимчивость становится тензором (n+1) степени.

Четырехволновое смешение* явление интермодуляции в нелинейной оптике, при котором взаимодействия между двумя или тремя длинами волн создают две или одну новую длину волны.

С помощью пикосекундных импульсов от лазера на свободных электронах ученым удалось показать, что кремний, легированный P или Bi, имеет значение ⁽³⁾L в ТГц области выше, чем любой другой материал в любом диапазоне длин волн.


Изображение 1

Итак, нелинейность низшего порядка в центросимметричных материалах равна ⁽³⁾. Она отвечает за вырожденное четырехволновое смешение (DFWM от degenerate four-wave mixing), при котором все четыре фотона имеют одинаковую энергию: два из которых возбуждаются, а два излучаются (схема выше). Отклик DFWM обладает потенциалом для применения в активных оптических средах (модуляторы, квантовые повторители и т.д.). Однако количественных измерений восприимчивости для прозрачных объемных материалов в ТГц области до сего момента практически нет, т.е. для любого материала в этом спектре частот на данный момент известно крайне мало значений ⁽³⁾.

Посему ученые решили поэкспериментировать с кремнием, который ранее уже пытались использовать для оценки ⁽³⁾, но безуспешно ввиду, скорее всего, проблем, связанных с количественной метрологией нелинейного ТГц диапазона.

Результаты исследования

В качестве опытных образцов использовался монокристаллический кремний (Si), легированный висмутом (Bi) или фосфором (P). Температура образцов в ходе опытов поддерживалась в диапазоне 510 К.

В ходе исследования были проведены опыты с использованием терагерцовых импульсов от лазера на свободных электронах как при включенном, так и при выключенном резонансе с 1s 2p переходами в Si:P и Si:Bi при 10K.

В пределе плоской волны (т.е. для бесконечно длинных импульсов и бесконечно широких лучей) комплексная амплитуда поляризации генерируемого луча (P₃) связана с комплексными амплитудами поля входных лучей (F_1,2) внутри материала соотношением:



т.е. интенсивность выхода определяется посредством ⁽³⁾. Определение ⁽³⁾ в уравнении выше предполагает, что импульсного эксперимента внутренние энергии импульса (Ei) трех лучей (ki) связаны соотношением:



где E_c постоянная, обратно пропорциональная ⁽³⁾L, а L толщина образца.

E_c представляет собой критическую энергию импульса, при которой выходная мощность станет равной входной. Посему необходимо оставаться ниже этой границы, чтобы не пришлось учитывать нелинейные эффекты более высокого порядка.


Изображение 2

E₁ варьировалось в ходе опытов, но отношение E₂ / E₁ при этом оставалось фиксированным (график выше). При низкой энергии наблюдалась четкая кубическая зависимость. При высокой интенсивности в опытах с резонансом происходило насыщение из-за зависящего от интенсивности уменьшения времени дефазировки, что приводило к снижению ⁽³⁾.

Вдали от резонанса, но в пределе длинных импульсов, соотношение между E_c и ⁽³⁾ напрямую зависит от геометрии и длительности импульса и выглядит следующим образом:



где n показатель преломления (в данном труде был установлен n = 3.4);
₀ длина волны в свободном пространстве;
Z₀ характеристический импеданс свободного пространства;
r₀ и t₀ среднеквадратичные радиус пучка и продолжительность импульса.

Переменная f в формуле выше напрямую зависит от потерь, а также формы и длительности импульса относительно динамических временных масштабов системы. Если f = 1, то потери незначительны. Увеличение этого показателя сигнализирует об увеличении потерь и зависит от толщины образца.

В случае проведенных опытов, то при отсутствии резонанса f был немного выше единицы, что связано с короткими импульсами. Полученные экспериментальным путем значения E_c и рассчитанные значения f позволили получить ⁽³⁾expt, т.е. ожидаемое значение ⁽³⁾.

Имея в своем распоряжении теоретические значения ⁽³⁾, ученые смогли провести сравнение с результатами своих опытов.

Кремний при низкой температуре напоминает водород. Энергия уменьшена, а размеры орбиталей увеличены за счет малой эффективной массы и большой диэлектрической проницаемости.

Опыты с резонансом и без него показали хорошее соответствие теоретическим предсказаниям за исключением небольшого расхождения. Разница между этими вариантами опытов была в том, что резонанс значительно уменьшает E_c и увеличивает (3) по сравнению с нерезонансными случаями.


Изображение 3

График выше демонстрирует набор когерентных измерений ⁽³⁾ в других материалах, системах и диапазонах частот. Если точнее, то отображены значения ⁽³⁾L, так как именно эта величина была измерена в каждом случае.

Ученые отмечают, что материалы Дирака (например, графен) демонстрируют большие значения ⁽³⁾L, но и резонансные межзонные процессы или процессы со свободными носителями в зависимости от химического потенциала. В таких случаях (когда присутствуют потери поглощения) объемная восприимчивость ⁽³⁾ не является особенно полезным показателем качества материала, поскольку выходная мощность изменяется нетривиальным образом в зависимости от толщины образца из-за тех же потерь.

В двумерных системах и системах с квантовыми ямами* наблюдались большие значения ⁽³⁾.

Квантовая яма* потенциальная яма, которая ограничивает подвижность частиц с трех до двух измерений, из-за чего они могут двигаться только в плоском слое.

Во всех этих случаях измеренный выходной сигнал нормируется по толщине, а чувствительность слоя (⁽³⁾L) очень мала по сравнению со значениями, полученными в первоначальных опытах, и остается такой даже в случае систем из множества слоев.

Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.

Эпилог

Данное исследование изначально имело другую цель изучение атомов фосфора в кристаллах кремния для возможного применения в квантовых компьютерах. Однако в ходе опытов было установлено, что атомы фосфора способны повторно излучать лучи практически такой же мощности, как и у лазера, который был на них направлен.

Подобные эффекты возможны за счет терагерцовой области электромагнитного спектра и за счет нелинейности, которую используют для управления лазерами (например, для перенаправления луча). Буквально волей случая ученые обнаружили, что кремний обладает самой сильной нелинейностью из когда-либо обнаруженных.

Несмотря на то, что опыты проводились на образцах, охлажденных до очень низкой температуры, в их результатах есть большой потенциал. Если полностью разобраться в том, как протекают исследуемые процессы, то можно их использовать для создания кремниевых процессоров с функцией управления световыми лучами посредством других лучей, что увеличит скорость и эффективность электронных коммуникаций.

Пока это лишь теории, подтвержденные немногочисленными опытами, однако ученые уверены, что в будущем им удастся разгадать секреты нелинейности кремния.

Благодарю за внимание, оставайтесь любопытствующими и хорошей всем рабочей недели, ребята. :)

Немного рекламы

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Ранее мы разобрали использование технологий нанофотоники в глубоком обучении и как благодаря им увеличивается производительность вычислительных систем на программно-аппаратном уровне.

Выносимая к обсуждению тема обновления закона Мура с помощью нахождения более сложных зависимостей эволюции вычислительных систем, сегодня хорошо разбирается именно исследователями в области технологий плазмоники и нанофотоники.

Важно: большинство ссылок, приводимых в статье ведут к материалам на английском языке. Отечественных исследователей фотоники в России не так много, а те, что есть предпочитают публиковаться на английском.

Для дополнительного изучения темы на досуге за чашечкой чая предлагается прослушать доклад Дмитрия Федянина одного из ведущих отечественных исследователей по применению технологий нанофотоники в вычислительных системах.


Дмитрий Федянин старший научный сотрудник МФТИ.

А далее мы разберем интересную статью, в которой группой авторов предлагается крайне оригинальная концепция метрики роста производительности, альтернативная классическому закону Мура. Идея созрела благодаря анализу природных физических ограничений в существующих технологиях работы ядер процессоров, а также подтверждаемых сегодня экспериментально перспектив новых систем на базе нанофотоники.

Непрерывно выдвигаемые современной индустриальной системой требования к повышению эффективности вычислений и пропускной способности связи привели к тому, что полупроводниковые технологии в их текущем состоянии достигли своего предела. Это привело к появлению новых технологий, способных превзойти традиционные решения. Речь идет о фотонных препроцессорах или ускорителях, электронно-фотонных гибридных схем и нейронных сетях. Однако усилия, предпринятые для описания и прогнозирования эволюции производительности вычислительных систем, не позволяют точно предсказать и тем самым объяснить фактически наблюдаемый темп развития; то есть все предлагаемые показатели в конечном итоге отклоняются от траектории их развития через несколько лет после того, как они были первоначально предложены. Это несоответствие требует уравновешенной метрики, которая включал бы в себя целостный набор движущих сил эволюции вычислительных систем.

Оригинальная концепция новой метрики под названием Capability to Latency-Amount-Resistance (CLEAR) была предложена международным коллективом исследователей (Shuai Sun, Vikram K. Narayana, Mario Miscuglio, Lionel C. Kimerling, Tarek El-Ghazawi, Volker J. Sorger). По мнению авторов статьи (см. здесь) эта метрика охватывает динамику изменений скоростей синхронизации, энергоэффективности, масштабирования физического размера вычислительных машин и экономических затрат. По мысли авторов, CLEAR единственная на сегодняшний день метрика, которая корректно описывает историческое развитие вычислительных систем. Даже при разных вариантах и взаимных технологических сочетаниях, CLEAR соответствует наблюдаемой постоянной скорости роста, включая предлагаемые для реализации в будущем доминирующие технологии вычислительных систем (прогноз). CLEAR предстает перед читателями как руководство для количественного прогнозирования роста производительной эффективности вычислительных систем в данный момент времени и будущем.

Несмотря на то, что в целом эволюция вычислительной производительности постоянно увеличивается, наблюдаемая скорость производительности устройств на основе существующей полупроводниковой индустрии, заметно замедляется, особенно это заметно на 14-нм технологии см. здесь и здесь). Это обусловлено как природными физическими ограничениями, так и растущими экономическими издержками непрерывного процесса промышленного производства чипов.

По этим причинам, закон Мура как роудмап полупроводниковой промышленности неоднократно пересматривался с целью устранения этих препятствий (см. здесь). Аналогично, динамика развития (зависимость от времени) других соотношений физических величин, таких как показатель эффективности использования вычислительной мощности (закон Куми) или показатель вычислительной мощности, выводимый из соотношения потребляемой энергии, размера и стоимости (закон Макимото), в итоге все-равно отклоняется по сравнению с наблюдаемым темпом развития технологии (рис. 1) выбранная в показателе функция от времени (например, многоядерность, стоимость изготовления) на практике не может обеспечить экспоненциального роста.

Например, производительность процессора, состоящего из N ядер по-прежнему ограничена соотношением 1/((1-p)+p/N), где p представляет собой уровень параллелизации (см. здесь). Поэтому отслеживать эволюцию производительности вычислительных систем становится все сложнее, если использовать только закон Мура (или другие существующие метрики прогнозирования), в котором для описания производительности вычислительной системы используется только один или несколько движущих факторов (см. здесь). Кроме того, преимущества различных реализаций аппаратного обеспечения (например, электрические, оптические) изменяются со временем по-разному, что еще больше затрудняет эволюционное прогнозирование.

Например, интегрированная фотоника и, возможно, плазмоника могут расширить определенные каналы связи на плате или даже на кристалле. В результате будут значительно смягчены проблемы рассеивания тепловой мощности, а также расшириться полоса пропускания данных с возможностью преодоления барьера электронной цифровой эффективности с помощью таких концептуальных подходов, как спектральное уплотнение каналов (WDM), оптического углового момента или более высоких форматов модуляции, таких как поляризационная амплитудная модуляция (например, QAM), где одновременно используется фазовая и амплитудная поляризация (см. здесь и здесь).

Касаемо компромиссов с другими технологиями, то один электронный транзистор с технологическим узлом 14 нм занимает площадь на 3 порядка меньше, чем кольцевой модулятор фотонного микродиска, однако фотоника обеспечивает взаимосвязь на уровне канала без емкостных проводов зарядки/разрядки, хотя и является синергетической по отношению к вышеупомянутым уникальным характеристикам, которые поддерживают скорость передачи данных до уровня Тбит/с (см. здесь).


Рисунок 1.Характер развития вычислительных систем, начиная с 1946 года и до наших дней, можно представить в виде четырех различных показателей: (а) закон Мура опирается на рост количества компонентов на кристалле, измеряемых в единицах численного количества транзисторов; (б) закон Куми отражает энергоэффективность на единицу вычислений, бит/(с*Джоуль); (в) показатель Макимото, включающий в себя интеллект, мощность, размер и стоимость системы измеряется в единицах MIPS/(Вт*мм3*$); и (г) показатель CLEAR, определенный в уравнении (4) и учитывающий задержку системы в дополнение к показателю Макимото, а также экономические издержки, связанные с внедрением новой технологии: MIPS/(с*Вт*мм3*$). Данные Photonic CLEAR построены на основе прогноза Intel по кремниевой фотонике. Пунктирные линии представляют линейное соответствие (в логарифмическом масштабе), основанное на начальной скорости роста, с ежегодным удвоением производительности.

По представлению авторов, 5-факторный показатель CLEAR (название которого представляет аббревиатуру Capability-to-Latency-Energy-Amount-Resistance) на сегодняшний день является наиболее достоверным для описания эволюции производительности вычислений на всем известно историческом периоде, начиная с самого начала появления вычислительных технологий в 1940-х гг. и вплоть до настоящего времени. Этот показатель охватывает как физические, так и экономические факторы, связанные с темпами развития различных вариантов вычислительной техники. Таким образом, CLEAR может использоваться в качестве независимого от той или иной технологии количественного показателя, поскольку он включает как фундаментальные физические, так и экономические зависимости.

На основании наблюдений и анализа авторы делают два ключевых вывода:
динамика эволюции вычислительных систем характеризуется постоянным ростом, в то время как ставшие уже традиционными выше рассмотренные показатели отклоняются от своей первоначальной скорости отслеживания;
интегрированная фотоника (или любая другая появляющаяся технология в целом) может заменить текущую доминирующую технологию только в том случае, если ее общие характеристики (т.е. значение CLEAR) находятся на уровне (или выше) линии тренда постоянного эволюционного роста.

Эволюция вычислительных систем

Основные движущие силы

Развитие фундаментальной физики, управление технологиями полупроводников и экономические издержки требуют постоянных изменений и адаптации в целях поступательного развития технологий вычислительных систем. С момента основания индустрии полупроводников, закон Мура несколько раз менял факторы, лежащие в его основе: от подсчета транзисторов индустрия разворачивается (Первый переход) к занимаемой площади и масштабированию транзисторов из-за ограничений размера кристалла и роста общей системной сложности (см. здесь)

Второй переход произошел, когда тактовая частота нащупала границы из-за ограничений рассеивания плотности мощности, описанных законом масштабирования Деннарда (см. здесь). Поскольку масштабирование транзисторов приближается к фундаментальным физическим пределам, количество транзисторов на данный момент продолжает увеличиваться за счет параллелизма, реализуемого в многоядерных и массивно параллельных гетерогенных архитектурах. Это, усиливает узкое место в связи, в результате возникает необходимость отключения определенных областей чипа (темный кремний). Таким образом, скорость роста изменилась с первоначального удвоения каждые 12 месяцев до примерно 24 месяцев в настоящее время.

Недавно появилась новая движущая сила из совершенно другой области, которая влияет на эволюцию вычислительных систем и представляет собой интегрированную фотонику и гибридизированную нанофотонику, где маршрутизация светового сигнала выполняется пассивными интегрированными фотонными компонентами, тогда как электрооптические активные компоненты усиливаются новыми решениями:
реконфигурируемые материалы;
сильные взаимодействия света с веществом, такие как плазмоника или фотоника ENZ (epsilion-near-zero), вместе обеспечивающие канал передачи данных и пропускную способность, превосходящие обычную электронику на двух уровнях: микросхема и ядра (см. здесь).

Для таких новых технологий просто подсчет количества компонентов на кристалле или масштабирования занимаемой площади и стоимости в качестве отдельного показателя невозможен, поскольку он более точно не отражает фактического изменения производительности. Также большую роль оказывает тенденция появления других технологий, например применяемых в оптической связи, в которых множество сигналов с разными длинами волн упаковываются в один и тот же физический канал и, таким образом, улучшается использование аппаратного обеспечения. Это является существенным фактором при оценке производительности системы. Следовательно, требуется целостный показатель, который учитывает множество движущих сил, чтобы обеспечить точное сравнение вклада различных технологических решений для развития вычислительных систем.

Единый показатель эволюции вычислительных систем

Чтобы получить независимый от технологий показатель, авторы собирали данные о производительности десктопов, ноутбуков, мобильных устройств, серверов, рабочих станций и суперкомпьютеров с 1940-х и сопоставляли их с традиционными показателями (Рис. 1).

В частности, закон Мура принимает количество транзисторов как единственно достаточный фактор (уравнение 1), в то время как закон Куми опирается уже на два фактора: энергия и количество вычислений, тем самым подведя основания под показатель, измеряемый в бит/(с*Дж) (уравнение 2). Миллионы команд в секунду (MIPS) на единицу измерения размера-стоимости-мощности известны как показатель Макимото, определяемый уже как 4-факторный показатель (уравнение 3).

Закон Мура = Количество Транзисторов [кол-во шт.] (1)

Закон Куми = Вычисления/Энергия [бит/(с*Дж)] (2)

Показатель Макимото = Интеллект/(Размер*Стоимость*Мощность) [MIPS/(мм3*$*Вт)] (3)

Значения этих трех показателей показывают сходную модель роста: растущий тренд хорошо отслеживает их исходные данные, но только в течение ограниченного периода времени, и в конечном итоге отклоняется от них. Это говорит о том, что факторы, взятые в них за основу, не смогли полностью уловить фактическую движущую силу, которая доминирует в эволюции вычислительных систем.

Анализ линий тренда на рис. 1 показывает, что количество транзисторов первоначально (19501960-е годы) хорошо отражает закон Мура о двукратном ежегодным росте (пунктирная светло-зеленая линия, рис. 1). Однако масштабирование энергоэффективности (т.е. закон Куми) стало доминирующим фактором в течение следующего периода (19601970-е годы), поскольку простое добавление большего количества транзисторов ограничено размером и сложностью микросхемы. По этой причине закон Мура начал отклоняться от тенденции 2X/год, в то время как закон Макимото все еще сохранял свои первоначальные темпы роста. Начиная с конца 1970-х годов факторы, как размеры, так и масштабирование мощности постепенно достигают предела из-за проблем с заметно усложнившимися процессами производства, утечкой энергии и рассеиванием тепла. Вместе с появлением параллелизма (то есть многоядерных процессоров) и экономическим масштабированием на рынке, показатель Макимото, в итоге, также отклоняется (начиная с 1978 года). Пунктирные линии, показанные на рис. 1, представляют начальные прогнозы роста производительности по каждому закону. Эти линии тренда показывают, как каждый дополнительный фактор, введенный соответствующими законами, влияет на собственную исходную метрику прогнозирования, показанную как отклонение от исходного прогноза. Рассматривая эту тенденцию как теоретический верхний предел скорости развития технологии, теперь можно понять, действительно ли заявленный тренд является фактическим или нет. То есть, является ли действующий закон причиной замедления развития технологий, или же начинают доминировать новые факторы производительности.

Таким образом, на сегодняшний день не существует четкого известного показателя, который может:

• объяснить последние изменения в производительности;

• предоставить руководство по прогнозированию производительности в будущем.

Внедренный авторами показатель CLEAR включает в себя факторы производительности из множества технологических вариантов, которые включают как физические, так и экономические ограничения. Главное утверждение авторов заключается в том, что факторы, составляющие CLEAR, выбираются не случайно, а являются фундаментальными для технологических и экономических трендов:

CLEAR = Способность/(Задержка*Энергия*Количество*Сопротивление) [[MIPS/(с*Вт*мм3*$)]] (4)

или в оригинале:

CLEAR = (Capability )/(Latency*Energy*Amount*Resistence) [[MIPS/(с*Вт*мм3*$)]]

Авторы, сформулировав формулу для показателя CLEAR, определяют постоянную скорость роста в течение всей эволюции вычислительных систем, охватывающей рост производительности на 4 порядка за семь десятилетий. Более того, фактическая наблюдаемая скорость развития постоянно держится на уровне двукратного роста каждые 12 месяцев. Этот 5-факторный показатель определяется на основе концепции производительности и стоимости. CLEAR может применяться на уровне устройства, схемы и системы.

Например, на системном уровне CLEAR структурирована следующим образом:
Способность C это производительность системы, определяемая произведением миллионов инструкций в секунду (MIPS) и длины команды;
минимальная Задержка L относится к тактовой частоте и ограничена временным окном между двумя соседними тактовыми циклами;
Энергия E представляет собой уровень энергопотребления для работы такой системы в целях получения определенной мощности, выраженной в единицах ватт;
Количество A представляет пространственный объем (то есть физический размер) системы и является функцией размерности процесса;
Сопротивление R количественно определяет экономическое сопротивление принятия рынком новых технологий. Базово авторы берут экономическую модель, основанной на кривой опыта Boston Consulting Group (BCG), которая объясняет взаимосвязь между совокупным производством и удельной стоимостью (см. здесь).

Авторы выводят линейную зависимость между логарифмической шкалой единицы цены и времени, далее подтверждают эту зависимость, сопоставляя исторические данные (см. здесь и здесь) с CLEAR.

Авторы отмечают, что метрика MIPS в качестве показателя производительности заменяется метриками, такими как операции с плавающей точкой (FLOPS), из-за ее восприимчивости к базовому набору команд. CLEAR применяется к различным архитектурам процессоров на протяжении истории, для которых другие метрики производительности недоступны в известных наборах тестов производительности (например, SPEC или LINPAC). Однако, чтобы сделать MIPS репрезентативной метрикой производительности, авторы взвешивали (то есть умножали) каждую инструкцию по ее длине, тем самым давая относительную общую метрику в единицах бит/с.

Тренды развития вычислительных систем

После сравнения всех четырех показателей, показанных на рис. 1, мы обнаруживаем, что, когда показатель включает в себя более релевантные факторы, его начальная точка отклонения от исходного тренда наступает позже. В отличие от CLEAR, который показывает точное соответствие данных во всем. Таким образом, эмпирически обнаруживаем, что производительность вычислений постоянно растет с фиксированной скоростью примерно с ежегодным двукратным увеличением и не зависит от технологий. Тестируя новые вычислительные машины, например на основе интегрированной фотоники, как предсказывает IBM (см. здесь), мы обнаруживаем, что такие технологии действительно могли бы продолжать эволюционный тренд развития с ежегодным двукратным ростом (красные звезды на рис. 1).

Кроме того, можно обнаружить, что относительное отклонение от линии тренда 2Х/год можно использовать для классификации показателя вычислительной системы. Например, дополнительные накладные расходы (т.е. физический размер, параллелизм, охлаждение, низкая экономия на масштабе и производственные затраты) на суперкомпьютеры показывают их худшие значения CLEAR по сравнению со всеми другими типами компьютеров, такими как ноутбуки и мобильные устройства, несмотря на их более высокую производительность (пунктирные кружки, рис. 1 в, г). Высокий параллелизм многоядерных технологий, используемых в суперкомпьютерах, подвергается сомнению из-за отдачи от вычислений к энергии, описанной в законе Амдала (см. здесь). Несмотря на то, что суперкомпьютеры обеспечивают производительность в режиме petaflop, вся инфраструктура напоминает компьютерную инфраструктуру пятилетнейтридцатилетней давности, что ставит под сомнение будущее для ее масштабирования.

Анализ CLEAR

Чтобы получить более детальное представление об относительном воздействии каждого из 5 факторов CLEAR, авторы разложили показатель на отдельные факторы, противопоставив один другим, чтобы выявить фактические движущие силы во времени.

Комбинации факторов, использованных на рис. 2, представляют собой C против LEAR, CLE против AR и CLEA против R (рис. 2, C = способность, L = задержка, E = энергия, A = количество, R = сопротивление). Кроме того, показана исключающая скорость C' по сравнению со всеми другими факторами, поскольку единственным фактором масштабирования в первые годы полупроводниковой промышленности является количество компонентов на кристалле. Важно отметить, что относительные положения каждой точки данных более важны, чем точные значения как по осям X, так и по осям Y, и, таким образом, обе оси нормализованы к единице, что позволяет сравнивать каждый случай.

Поскольку синие и красные заштрихованные области представляют линейный рост и насыщающие области соответственно, легко обнаруживаются последовательные сдвиги поворотной точки вправо с увеличением числа рассматриваемых факторов для оси X (то есть относительного времени). Чтобы понять это, факторы на оси X можно рассматривать как движущую силу показателя, в то время как значения на оси Y обозначают фактические условия отслеживания рассматриваемых движущих сил. Следовательно, линейная область означает, что факторы на оси X все еще доминируют в развитии технологии, в то время как движущая сила технологии начинает переходить на другие факторы при входе в область насыщения. Этот результат совпадает со сделанным наблюдением, что эволюция вычислительной системы всегда растет с этой постоянной скоростью, и расхождение с показателем происходит только тогда, когда появляются другие движущие силы.


Рисунок 2. Анализ движущей силы CLEAR.
Показатель CLEAR разбит на четыре группы, каждая из которых состоит из двух частей: коэффициент, демонстрирующий факторы на пути развития технологий (ось X), и раскрывающий фактор, который показывает способность отслеживания выбранного фактора или комбинации факторов (ось Y). Результаты показывают, что более позднее отклонение от нормированного развития наблюдается, когда учитывается больше факторов для описания производительности вычислительных систем. (а) Исключающая Скорость C против Задержки-Энергии-Количества-Стоимости (LEAR); (б) Способность C против Задержки-Энергии-Количества-Стоимости (LEAR); (в) Способность на Задержку-Энергию (CLE) против Количества-Стоимости (AR); (г) Способность на Задержку-Энергию-Количество (CLEA) против Стоимости R. Оси X и Y нормализованы до единицы для лучшего сравнения. Линейный рост и области насыщения покрыты синими и красными тенями соответственно.

Применение CLEAR

Важно, что способность беспрепятственно отслеживать эволюцию различных технологий позволяет CLEAR прогнозировать будущее технологическое замещение и определять стандарт для будущей технологии, включая их гибридизацию, например, между электроникой и фотоникой (см. здесь,тут, вот тут и здесь).

Смена технологий

Фотонный интерконнект внутри кристалла недавно показал высокую емкость передачи данных, (превосходящую обычные электрические интерконнекты) при гибридизации с активными плазмонными устройствами (см. здесь). Хотя оптическая маршрутизация данных воспринимается как возможное решение для устранения узких мест связи между вычислительными ядрами и обычно используется в центрах обработки данных и суперкомпьютерах, интегрированная фотоника еще не внедрена в массовый потребительский сектор. Поначалу это кажется удивительным, поскольку предыдущие исследования предполагали превосходные характеристики фотонно-плазмонной гибридизации. Таким образом, возникает вопрос, почему интегрированная фотоника не используется в продуктах массового рынка?

Чтобы ответить на этот вопрос, сравним CLEAR для электронных связей с гибридными фотон-плазмонными связями в зависимости от времени эволюции и расстояния распространения сигнала (рис. 3). Здесь манипулирование светом осуществляется с помощью плазмонных активных строительных блоков (источник, модулятор, детектор, переключатель) (см. здесь и здесь), тогда как распространение света обрабатывается фотоникой низких потерь на базе кремниевых или нитрид-кремниевых платформ. Сравнивается электроника с таким вариантом плазмон-фотонного гибрида, потому что разделение активной и пассивной функциональности в гибридной плазмон-фотонике приводит к более высокой производительности (то есть, более низкая задержка, более высокая пропускная способность, более низкая функция энергии на бит). Полученные кривые поверхности показывают, что CLEAR электроники и плазмон-фотоники имеют линию безубыточности (пересечение поверхностей, рис. 3), которая масштабируется как по времени, так и по расстоянию распространения сигнала. Интересно, что даже сегодня, электроника по-прежнему опережает фотонику при размерах чипа = 1 см на длине передачи информации. Поэтому электроника до сих пор коммерчески используется на кристаллах, в отличие от фотоники. Инвестиции и разработки в электронике за последние полвека, таким образом, создали технологическую устойчивость (барьер входа) для других технологий. Такое масштабирование привело к тому, что транзистор стоит всего одну миллиардную стоимости фотонного устройства или еще меньше (см. здесь).


Рисунок 3.Сравнение показателей CLEAR электрического (синий) и гибридного фотон-плазмонного (красный) интерконнекта на кристалле в зависимости от длины связи и времени развития технологии. Размер чипа = 1 см, длина связи и год написания статьи (2019) обозначены красным. Были развернуты следующие модели; а) модель пропускной способности, основанная на количестве транзисторов и оптических устройств на кристалле, которую можно рассматривать как первоначальную модель закона Мура; б) модель энергоэффективности на основе закона Куми, который ограничен пределом Ландауэра kB*T*ln(2) 2.75 зДж/бит, (kB постоянная Больцмана; T температура); в) модель экономической устойчивости, основанная на моделях технологического развития до 2019 года, согласно которой стоимость электронного канала составляет менее одной миллиардной или одной миллионной стоимости гибридного канала; г) модель параллелизма (после 2006 года), описывающая многоядерную архитектуру и ограничения темного кремния в электрическом интерконнекте. Желтая точка расположена на пересечении двух технологий в период 2019 года, когда технология Hybrid Plasmon-Photonics только достигла размеров чипа и начинает демонстрировать лучшую производительность показателя CLEAR на кристалле.

По мере совершенствования технологии и производственных процессов расстояние безубыточности производительность за одну цену (т.е. CLEAR) для передачи небольшого количества информации сокращается в силу более плоской кривой стоимости электроники по сравнению с фотоникой, причем последняя следует степенному закону во времени. Более того, стоимость начинает расти с масштабированием плотности электрического интерконнекта, связанным с дополнительными издержками в силу фундаментальных физических проблем на транзисторных узлах менее 10 нм (см. здесь). В отличие от этого, гибридный фотон-плазмонный интерконнект в настоящее время дорогостоящ пока в силу только начавшегося масштабирования, которое является целью консорциума Американского института по производству интегрированной фотоники (AIM Photonics). Масштабирование теперь возможно в результате недавних достижений в нанофотонике; концепция усиления взаимодействия света с веществом позволяет создавать компактные по длине волны в оптоэлектронных устройствах с преимуществами высокой энергоэффективности и высокой скорости работы из-за низкой электрической емкости (см. здесь). В результате, дистанция безубыточности между электроникой и гибридными фотон-плазмонными технологиями, как ожидается, будет дополнительно сдвигаться на более короткие расстояния по мере движения по временной шкале. Например, кремниевый фотонный чип на основе CMOS, продемонстрированный IBM еще в 2015 году, близок к области безубыточности (см. здесь). Интегрированная фотоника сможет заменить электронику только если скорость ее CLEAR-производительности сможет догнать общий эволюционный тренд вычислительных систем.

Выводы

Как мы увидели из приведенных выше рассуждений, CLEAR можно рассматривать как универсальный технико-экономический показатель не только из-за его широкой иерархической применимости (устройства, интерконнект, системные уровни), но также из-за его способности адаптироваться к конкретному технологическому применению. Например, для гибридизации сети внутри кристалла. CLEAR можно не только использовать в качестве показателя эффективности для прогнозирования эволюции технологической платформы, но также можно сравнивать общую способность технологической платформы (платформ) при различных условиях применения путем добавления весовых показателей к каждому коэффициенту в уравнении (4).

В этой первоначально предложенной метрике CLEAR все пять факторов линейно влияют на значение CLEAR, однако для конкретного приложения, которое критически зависит от конкретного фактора (или комбинации факторов), каждый фактор в CLEAR может быть взвешен по-разному. Чтобы обеспечить сопоставимость, даже среди таких настроенных метрик, может потребоваться обеспечить такие условия, чтобы сумма всех коэффициентов равнялась 5, аналогично нормализации к единице, такой как интеграл волновой функции в квантовой механике. Например, система портативных устройств может иметь строгие ограничения по энергии (E) и пространственному объему (A), что приводит к метрике CLEAR C0.8L0.8E1.2A1.2R для такой технологии. Действительно, было бы интересно сравнить тренды из различных настроенных метрик с возможностью прогнозирования технологий в будущем.

Кроме того, мы можем воспринимать будущие каналы связи или сети динамически реконфигурируемыми, позволяя микросхеме изменять свою идеальную рабочую точку в зависимости от текущего приложения, нагрузки, режима питания и т.д. Такие приложения, управляемые динамическими данными систем (DDDAS) востребованы из-за их комбинированной способности обработки когнитивной информации. Ожидается, что адаптация компьютерных систем к множеству ограничений будет иметь синергию с появляющимися системами теории информации, такими например как, нейроморфные и резервуарные вычисления, где адаптация и настройка весов обеспечивают работу машинного обучения, арифметику систем исчисления остатков или даже встроенной кремниевой фотоники оптических вычислений (см. здесь, тут, здесь и здесь).

Стоит также отметить, что, как это и случилось со всеми предыдущими показателями эффективности прогнозирования производительности технологических платформ, CLEAR может в конечном итоге начать отклоняться от своего первоначального тренда, когда в новой технологии будут использоваться более уникальные физические особенности. В настоящее время в CLEAR адекватно охватываются все доминирующие факторы производительности в современных технологиях, что позволяет на точном уровне прогнозировать эволюцию вычислительных систем на момент написания статьи.

Таким образом, CLEAR может быть не только инструментом для картографирования и прогнозирования перспектив, но и может проложить путь к аппаратным умным и когнитивным компьютерным платформам управления, где компромиссы между производительностью и стоимостью пересматриваются и оптимизируются в режиме реального времени.

В итоге, CLEAR можно рассматривать как новый закон Мура, который целостно отражает тенденции развития технологий различных уровней иерархического применения.