Рано или поздно кремниевая технология, используемая сегодня для создания процессоров, достигнет своего предела. Это не предположение, а техническая неизбежность. Но что придёт на замену? Исследователи рассматривают множество вариантов: графеновые процессоры, квантовые вычислители и даже биокомпьютеры, использующие для расчётов живые клетки.
Однако одной из наиболее перспективных и приближённых к реальности технологий стала фотоника — область, где вычисления выполняются не электронами, а частицами света. Что представляют собой фотонные процессоры? Как они устроены? И главное — когда эта технология выйдет из научных лабораторий в массовое производство?
Фотоника: ближе, чем кажется
Слово «фотоника» звучит футуристично, словно речь идёт о технологиях из научной фантастики. Однако большинство из нас сталкивается с фотоникой ежедневно, даже не подозревая об этом.
Если вы носите умные часы, вероятно, прямо сейчас фотоника измеряет ваш пульс. Зелёный светодиод в конструкции часов излучает свет на определённой длине волны. Специальный датчик измеряет, сколько света вернулось после взаимодействия с вашими тканями, и на основе этих данных определяет биологические параметры: частоту сердечных сокращений, пульс и насыщенность крови кислородом.
Кроме светодиодов и лазеров, благодаря фотонике появился и высокоскоростной оптоволоконный интернет. Фотонные устройства произвели настоящую революцию в сфере передачи данных. Когда информацию научились передавать по оптоволоконным линиям с помощью света, а не электричества по медным проводам, стал возможен интернет в его современном виде: с социальными сетями, потоковыми видеотрансляциями в высоком разрешении и мгновенной передачей огромных объёмов данных.
Идея проста: подобный скачок в скорости передачи данных можно организовать не только между разными компьютерами, но и внутри каждого из них. Причём прямо на интегральной схеме. Это и является основной концепцией фотонных вычислений.
Что такое фотонный процессор
Большинство современных процессоров работают на основе электричества. Электроны передаются между элементами, что позволяет выполнять различные вычисления. Мы привыкли к тому, что компьютеры и смартфоны используют именно такие процессоры.
Но представьте устройства, которые используют вместо электричества свет, то есть фотоны. Это и есть фотонные процессоры.
В чём преимущество такого подхода? Во-первых, в скорости передачи данных. Но было бы неверным утверждать, что свет просто быстрее электричества. Оба типа сигналов распространяются со скоростью света. Тогда в чём разница?
Ключевым отличием является то, что фотоны не взаимодействуют между собой. Это позволяет по одному физическому каналу передавать несколько сигналов одновременно.
Для наглядности можно привести такое сравнение. Представим, что электрическое соединение — это поезд, движущийся со скоростью шестьдесят километров в час. Только вот помещается в этот поезд всего один пассажир. А что с фотонным соединением? Это такой же поезд, он движется с той же скоростью, но вместимость такого поезда — не один, а десять тысяч пассажиров.
Таким образом, два поезда движутся одинаково быстро, однако эффективность второго очевидно намного выше. Получается, что с помощью фотонов в фиксированный интервал времени можно передавать большее число сигналов, а значит, и больший объём информации.
Второе преимущество — энергоэффективность. Использование света позволяет значительно снизить энергопотребление и тепловыделение. Это означает, что фотонные процессоры могут быть гораздо более эффективными и экономичными. Необходимость решения вопросов энергопотребления и сокращения выбросов углекислого газа может стать важным толчком к развитию этой технологии.
По мере того как требования к вычислительным мощностям растут, а машинное обучение становится всё популярнее, увеличиваются и требования к компенсации воздействия на окружающую среду. По некоторым оценкам, к 2030 году вычислительные и коммуникационные технологии будут потреблять более восьми процентов энергии всего мира.
Таким образом, фотонные процессоры открывают новые возможности для вычислительной техники. Они могут значительно повысить скорость и производительность компьютеров, при этом снижая их энергопотребление.
Как это работает
Фотонный процессор — это устройство, которое использует свет для вычислений. Это принципиально новый тип аналоговых компьютеров, их ещё часто называют оптическими компьютерами. Исследователи по всему миру работают над архитектурой таких устройств.
Первый прототип оптического компьютера был продемонстрирован ещё в 1990 году, и это направление активно развивалось все последующие годы. Однако до массового коммерческого использования таких устройств по-прежнему далеко. Но работы ведутся, в том числе и в России.
Например, в Самаре специалисты Самарского университета имени Королёва создают фотонный процессор в рамках научной программы Национального центра физики и математики при поддержке государственной корпорации «Росатом». По проекту, производительность компьютера должна достичь десяти в двадцать первой степени операций в секунду. Согласно планам, опытный образец установки должен был быть готов в 2025 году, и сборка экспериментального образца находится на стадии корпусной сборки.
Существует много видов фотонных процессоров, которые различаются по материалам, размерам, конфигурациям и способам управления. Однако большинство из них имеют один общий недостаток — их сложно перенастроить для выполнения разных задач. Это означает, что для каждого нового эксперимента или приложения нужно создавать новое устройство, что требует много времени, ресурсов и финансовых вложений. Кроме того, это ограничивает гибкость и масштабируемость фотонных систем.
Безусловно, если будет создан полностью оптический компьютер, который окажется универсальным для выполнения разных задач, а также доступным и недорогим в производстве, это станет революцией в мире вычислительной техники и приговором для кремниевых технологий.
Однако сегодня реальность такова, что гораздо более осуществимым является создание гибрида — оптоэлектронного процессора. Устройства, где свет и полупроводники используются совместно. Эту технологию часто называют кремниевой фотоникой.
Идея оптоэлектронных устройств заключается в том, что для вычислений используются транзисторы — электронные устройства, а для передачи информации уже задействуется свет, то есть фотоны.
Основной компонент таких процессоров — волноводы. Они выполняют роль проводников для света, подобно тому, как медные провода передают электроны в классических компьютерах. Волноводы направляют фотоны от одной части процессора к другой.
Чтобы свет мог использоваться для передачи информации, он должен откуда-то браться. Для этого используются лазеры, которые создают узконаправленные световые лучи, способные быстро и эффективно передавать данные.
Затем световые сигналы проходят через различные компоненты процессора, где происходит их обработка. Одним из таких компонентов являются модуляторы. Они изменяют характеристики светового сигнала — амплитуду, фазу или длину волны — чтобы кодировать информацию.
После того как свет был изменён и передан по волноводам, его необходимо преобразовать обратно в электрический сигнал для взаимодействия с другими частями системы. Для этого используются фотонные детекторы. Они принимают световой сигнал и преобразуют его в электрические импульсы, которые уже могут быть обработаны традиционными электронными компонентами.
Применение оптоэлектронных технологий позволит осуществлять обработку информации с гораздо большей скоростью, чем в обычных процессорах. Считается, что прирост производительности в теории может достигать десятков, а то и сотен раз.
Однако у такого подхода есть существенный недостаток. Оптоэлектронные приборы теряют до тридцати процентов энергии при преобразовании электроэнергии в свет и обратно, что замедляет скорость передачи информации.
Реальные примеры и перспективы
Разработки оптоэлектронных процессоров ведутся активно. Не в последнюю очередь это связано с ростом интереса к машинному обучению.
Йоханнес Фельдманн, исследователь из Оксфордского университета, отмечает: «С ростом машинного обучения и искусственного интеллекта фотонные процессоры нашли область, в которой они могут проявить себя в полной мере. Растущие объёмы данных доводят текущие электронные технологии до предела».
Один из наиболее ярких игроков на рынке кремниевой фотоники — стартап Lightmatter. В компании уверены, что их подход способен существенно повлиять на скорость развития искусственного интеллекта.
Технология Lightmatter использует оптические межсоединения, встроенные в кремний, которые позволяют аппаратному обеспечению напрямую взаимодействовать с транзисторами на кремниевом чипе. В апреле 2025 года компания представила полнофункциональный фотонный процессор, способный поддерживать работу искусственного интеллекта с точностью, сопоставимой с кремниевыми системами, при значительно меньшем энергопотреблении. Исследование было опубликовано в престижном журнале Nature.
Фотонный процессор Lightmatter объединяет шесть чипов в одном корпусе, содержащем пятьдесят миллиардов транзисторов и миллион фотонных компонентов. Устройство способно выполнять 65,5 триллиона операций в секунду, потребляя всего 78 ватт электрической и 1,6 ватта оптической мощности. Новый подход позволяет передавать данные между чипами с пропускной способностью, в сто раз превышающей обычную, при этом потребляя в несколько раз меньше энергии.
Чтобы убедиться в перспективности фотоники и этого стартапа, стоит упомянуть, что в июле 2024 года в компанию перешла Симона Янковски, занимавшая пост вице-президента по связям с инвесторами и стратегическим финансам в Nvidia. Она возглавила финансовое подразделение Lightmatter в качестве главного финансового директора. После назначения Янковски заявила, что Lightmatter — единственная причина, ради которой она покинула Nvidia.
В октябре 2024 года компания привлекла 400 миллионов долларов в рамках раунда серии D, что подняло её оценку до 4,4 миллиарда долларов — почти вчетверо по сравнению с оценкой в 1,2 миллиарда долларов, установленной всего десятью месяцами ранее.
Не остаются в стороне и крупные компании. В декабре 2024 года был представлен новый фотонный процессор с тремя слоями устройств, выполняющих линейные и нелинейные операции. Такая архитектура обеспечивает чрезвычайно низкую задержку и высокую энергоэффективность.
Ещё более впечатляющий результат был достигнут в Китае. В декабре 2025 года учёные из Шанхайского университета Цзяотун объявили о создании LightGen — полностью оптического чипа, способного запускать масштабные модели генеративного искусственного интеллекта. Это первое в мире решение такого типа, которое, как утверждается, в сто раз эффективнее новейших ускорителей Nvidia. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
В отличие от традиционных транзисторов, технология оптических вычислений обрабатывает информацию с помощью света, что обеспечивает высокую скорость и параллелизм. Команде LightGen удалось разместить миллионы оптических нейронов на одном кристалле и реализовать полный цикл обработки данных исключительно на оптической основе.
Взгляд в будущее
Оптоэлектронные технологии, или кремниевая фотоника, представляют собой перспективную область развития вычислительной техники. Возможно, такие компьютеры станут обыденностью уже в ближайшем будущем.
Но что с полностью оптическим вычислительным устройством? Будет ли оно создано в ближайшее время? Ответить однозначно сложно.
Однако стоит вспомнить, что точно такие же вопросы задавались о привычных нам программируемых компьютерах всего век назад. Очевидно, что потребуется ещё много исследований, прежде чем мы сможем достаточно развить фотонные технологии для создания полностью оптического компьютера. Но когда нам это удастся, мы вступим в новую технологическую эру — эру, где свет заменит электричество в качестве основы вычислений.
