Медный век суперкомпьютеров

В этой заметке мы расскажем о медной революции в фотонике, ответим на резонный вопрос читателя «В чем — в чем?!» и познакомимся с главным революционером Дмитрием Федяниным. «Сноб» номинирует его на премию «Сделано в России» в категории «Наука»

Если бы меня спросили, что не так с моим компьютером, я бы сказал, что вообще-то он хороший, быстрый, но великоват: плохо помещается в рюкзак. Но у физиков свой взгляд на мир. С точки зрения физиков, все наоборот: компьютеры уже и так довольно маленькие, но при этом они ужасно медленные. Это не просто их субъективное ощущение, а природа вещей (которую как раз и называют «физикой»).

Маленькие они вот почему: за последние десятилетия процесс миниатюризации процессора и памяти дошел до естественного предела. Характерный масштаб микроэлектроники в 2015 году достиг 10 нм — всего в сорок раз больше диаметра атома кремния. Это значит, что мы приехали. А вот что касается скорости обработки информации — тут можно быстрее, гораздо быстрее!

В этом направлении и работает мысль Дмитрия Федянина, старшего научного сотрудника лаборатории нанооптики и плазмоники Физтеха. Но, чтобы обрисовать это направление более точно, нам понадобится написать (а читателю — прочитать) всю статью, двигаясь шаг за шагом и не забегая вперед.

1. Блеск и нищета электрона

Все наши умные машины, от микропроцессора в газовой плите до компьютера и айфона, вместе называются «электроникой». Это потому, что информацию в них переносят электроны — так уж пролегли пути человеческого познания в прошлом, что именно с электронов нам было удобнее начать. Но теперь выясняется, что электрон для этого, мягко говоря, не так уж хорош. А если говорить грубо, электрон для передачи информации немногим более эффективен, чем сигнальные костры или удары в чугунный рельс.

Дело в том, что электроны заряжены, и в веществе они постоянно наталкиваются друг на друга, рассеивая энергию в виде тепла. Если перейти от наивно-корпускулярных образов к языку, более понятному инженерам, то частота сигнала, передаваемого с помощью электронов, не может быть слишком высока (с ростом частоты потери энергии стремительно растут). А плотность информации, в свою очередь, не может быть больше несущей частоты, которую эта информация модулирует.

Если вместо электронов использовать кванты света — фотоны, проблема мгновенно решится. Частота фотонного сигнала — это просто частота света, а она этак на пять порядков выше, чем любые мыслимые частоты в электронных устройствах. То есть выбросим электроны, напустим вместо них фотонов, и все заработает в сто тысяч раз быстрее. Примерно этим и занимается фотоника, имеющая шансы в будущем вытеснить электронику туда же, где сейчас обретается паровой двигатель. Собственно, оптоволоконный кабель она нам уже подарила и без остановки двинулась дальше.

Но у фотонов есть и проблемы. Во-первых, фотоны практически не взаимодействуют друг с другом. Поэтому сделать из них логическую ячейку в маленьком объеме пока никак не получается, электроны нам все равно нужны. Зато фотоны замечательно могут передавать информацию между такими ячейками. Но тут начинается наше «во-вторых»: дело в том, что по сравнению с 10-нанометровым масштабом современной электроники фотон просто огромен. Чтобы не пугать читателей квантовой механикой, скажем лишь, что по фундаментальным причинам фотон никак не удается запихнуть в пространство, меньшее, чем его длина волны. Можете представить себе фотон как шарик диаметром полтора микрона (а именно на этой длине волны работают сегодня телекоммуникационные устройства), безуспешно пытающийся пролезть внутрь нанометровой логической ячейки: это как пропихнуть большой сочный апельсин в игольное ушко. Современный фотонный волновод имеет характерный размер порядка пятисот нанометров, и даже в него фотон полностью не пролезает, занимая еще почти по пятьсот нанометров слева, справа, снизу и сверху волновода, благо квантовая механика это разрешает. Для объединения фотонных и электронных элементов в одну конструкцию это реальная засада.

Таким образом, фотонные компьютеры, которых пока нет, тоже страдают недугом: они быстрые, но очень, очень большие. Вот если бы получить фотоны помельче...

2. Как получить мелкие фотоны

Лаборатория, где работает Дмитрий Федянин, называется лабораторией плазмоники, а вовсе не «лабораторией фотоники». Объяснить, что такое плазмон, в двух словах у нас не получится, но, в общем, это то, во что превращается фотон, распространяясь по границе проводника и диэлектрика. По счастливому стечению обстоятельств, в таком обличье фотон становится значительно мельче: его удается ужать в десять-двадцать раз, а сто нанометров — это уже вполне приемлемый размер для интеграции с электронными вычислительными блоками, из которых состоит процессор.

Но и с плазмоникой все не так уж безоблачно. Не всякий проводник годится для того, чтобы передавать эти плазмоны, не теряя слишком уж много энергии (вспомним, что в проводнике есть те самые электроны, которые с электромагнитным полем плазмонов очень даже взаимодействуют, что ведет к выделению тепла).  Оптимальным проводником для распространения плазмонов считается золото. На золоте можно бы и остановиться: хоть оно и дорого, но на нанометровую пленку можно было бы наскрести. Но оказывается, что у золота другая беда. Золото инертно, с ним не сваришь никакой химии. А для изготовления микрочипов химия совершенно необходима. Объясняет Дмитрий Федянин: «Мы не можем взять молоток, долото и сварганить из золота нанометровую структуру: нам нужны химические реакции.

Золото в реакции вступать не любит, а другие материалы сильно проигрывают золоту».

3. Конец золотого века

У плазмонщиков опустились руки; они уж было решили, что родились на этот свет слишком рано и для решения их проблем надо ждать появления новых, невиданных материалов. Дмитрий и его коллеги оказались чуть более настырными. Взяли бумагу, карандаши, начали считать (сперва, впрочем, пришлось прочитать кучу теоретических работ, написанных по этой проблеме с середины 1970-х). Для начала им вроде удалось понять, чем же именно так хорошо золото. А потом они увидели, что, по их теории, медь вообще-то ничем не уступает золоту — не зря же она используется в электронике.

Но теория теорией, а во всех опытах медь показывала результаты раза в полтора, а то и в три хуже, чем благородный металл. И тут вместо того, чтобы выбросить в корзину теорию, которая дает неверные предсказания, Дмитрий и его коллеги напряглись еще чуть-чуть. И тогда им стало ясно, какая именно внутренняя структура должна быть у меди, чтобы предсказания сбылись.

«Это было похоже на то, как приготовить блюдо, если вместо рецепта у вас есть только его фотография: должно получиться вот что, а как — догадайся сам, — рассказывает Дмитрий. — Все, что мы знали, — какая внутренняя структура должна быть у этой меди. Как получить эту структуру — большой вопрос. Дальше был метод проб и ошибок, но после нескольких месяцев работы нам удалось создать медные пленки, не уступающие по свойствам золотым. А потом получились и наноразмерные оптические компоненты из меди».

Получилась и статья в прекрасном журнале NANO Letters, подведшая итог этому этапу работы и ознаменовавшая рубеж, который ловкие пиарщики и журналисты тут же нарекли «медной революцией».

4. Кто такой Дмитрий Федянин?

Для поверхностного знакомства с Дмитрием сгодится его страничка «Вконтакте», из которой можно узнать, что ему нравится Шопен, Ремарк, Beatles и фильм «Семнадцать мгновений весны». Более углубленный анализ приводит нас к пониманию, что Дмитрий окончил физматшколу в Саратове, поступил в Физтех, окончил его в 2012-м, а на следующий год уже защитил кандидатскую. Как это так — диссертация за год? «Ну, я ведь начал заниматься этой темой еще студентом», — объяснил Дмитрий таким тоном, что мне стало неудобно не только за свой идиотский вопрос, но и за все растраченные впустую годы жизни.

Остальные обстоятельства выяснились в ходе мини-интервью.

СДмитрий, вы считаете себя физиком-теоретиком или экспериментатором?

Мы тут не жалуем ни теоретиков, ни экспериментаторов. В нашем понимании экспериментатор — это человек, который не может на бумажке ничего посчитать, а теоретик — тот, у кого руки растут из дурного места. У нас таких нет. Мы физики.

СНо надо как-то обрисовать ваш профессиональный профиль. Могу я называть вас «электродинамиком конденсированных сред»?

Так можно назвать треть, а то и половину современных физиков. Но ладно, это еще нормально.

СНаша премия называется «Сделано в России», и поэтому нам важно знать: ваша «медная революция» делалась только в России или часть работы выполнена за рубежом?

Моя позиция состоит в том, что у человека должно быть одно место работы. Сейчас мы работаем в тех условиях, какие есть. Пока мы работаем в России и пытаемся сделать что-то именно здесь.

СВы полагаете, что здесь условия работы еще не настолько безнадежны, чтобы всерьез думать о перебазировании за океан?

Возможно, подумать об этом уже и стоило бы, но пока мы ничего для этого не делаем.

СКто в мире еще работает в этом направлении, в чью группу вы могли бы безболезненно влиться?

Много кто над этим работает. Дальше всех, видимо, продвинулись в Калтехе. Из коммерческих корпораций в этом направлении работают IBM, HP, Oracle, Samsung и многие другие. Samsung уже заинтересовали наши результаты, они приглашали меня к себе на работу. Но пока время не пришло.

СКак будет выглядеть практическое применение вашего исследования? Компьютерный чип нового поколения?

Что-то вроде этого. Сейчас индустрия работает над оптоэлектронными чипами первого поколения, в которых используются большие фотонные волноводы (Дмитрий делает руками рыбацкий жест, показывая, какие большие). Эти чипы, видимо, появятся на рынке через года три-четыре. А мы работаем над тем, чтобы сделать второе поколение этих чипов, более компактное: это позволит увеличить количество ядер от сотни на одном кристалле, как сейчас, до тысяч, а значит, возрастет и производительность. То есть мы получим настоящий суперкомпьютер на одном единственном маленьком полупроводниковом кристалле.С

Может, и правильно делает Дмитрий Федянин, что пока отвергает домогательства западных работодателей. За четыре года, прошедшие с его кандидатской защиты, его личная капитализация, как и потенциал отрасли в целом, росла стремительными темпами. О том, что происходит с отраслью, сам Дмитрий рассказал в своей статье для журнала Forbes. А о том, что происходит лично с Дмитрием, видно по дюжинам публикаций о нем в массовой прессе. И, разумеется, по тому факту, что его работа выдвинута на нашу премию «Сделано в России». Голосуйте за Дмитрия, и тогда, может быть, он еще долго отсюда не уедет. А если уедет, то на такие деньги, которые нам тут с вами и не снились. С другой стороны, мы же ведь и не сечем в плазмонике.