«Микроволновый мозг» — чип, который «думает» быстрее цифровых процессоров
Инженеры Корнеллского университета представили первый в мире полностью интегрированный «микроволновый мозг» — кремниевый чип, который может одновременно обрабатывать сверхбыстрые потоки данных и беспроводные сигналы, потребляя менее 200 милливатт энергии. В отличие от привычных цифровых систем, он использует физику микроволн и аналоговые процессы, что позволяет выполнять вычисления в реальном времени — от отслеживания объектов радаром до декодирования радиосигналов и обнаружения аномалий.
В основе устройства лежит нейросеть, но реализованная через особые микроволновые волноводы. Эти структуры создают нелинейные взаимодействия сигналов, что позволяет распознавать закономерности и «учиться» на данных. В отличие от цифровых нейросетей, работающих пошагово под тактовую частоту, микроволновый чип обрабатывает потоки в десятках гигагерц — быстрее, чем большинство современных процессоров.
Чип показал точность 88% и выше в задачах классификации беспроводных сигналов, что сопоставимо с цифровыми нейросетями, но при куда меньших энергозатратах и размере схемы. Он способен выполнять как простейшие логические операции, так и сложные задачи — например, распознавать последовательности битов в потоке данных.
Создатели отмечают, что высокая чувствительность устройства делает его перспективным для систем безопасности — например, для выявления подозрительных сигналов в беспроводных сетях. А при дальнейшем снижении энергопотребления его можно будет использовать в носимых устройствах — от умных часов до смартфонов, которые смогут обрабатывать данные и строить модели прямо на устройстве, без постоянного обращения к облачным сервисам.
Работа пока носит экспериментальный характер, но учёные уверены в её масштабируемости. Сейчас они проверяют, как улучшить точность и интегрировать чип в существующие цифровые и микроволновые платформы.
Компания «Оптрон», входящая в Росэлектронику, масштабирует серийное производство отечественных лавинных фотодиодов (ЛФД), которые выпускались малыми партиями.
Компоненты не уступают по своим характеристикам мировым аналогам и смогут заменить их на российском рынке.
Фотодиоды используются в системах, требующих высокой чувствительности к слабым оптическим сигналам: лазерной дальнометрии, промышленной автоматизации, оптической связи, медицинской диагностике и пр.
Лавинные фотодиоды — это специальные высокочувствительные датчики, которые преобразуют свет в электрический ток. В обычных фотодиодах он небольшой. В лавинных же фотоны света разгоняются электрическим полем и «выбивают» все новые и новые электроны. Таким образом получается цепная реакция наподобие лавины. В итоге из почти незаметного света получается внушительный электрический ток. Поэтому лавинные фотодиоды используют там, где нужно заметить очень слабое излучение — например, в оптической связи, лазерной дальнометрии, лидарах, оптических томографах и т.п.
В линейке "Оптрона" есть изделия двух видов — на основе кремния и арсенида галлия—индия. Кремниевые лавинные фотодиоды эффективны в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах (400–1100 нм). Они применяются для контроля и калибровки лазеров, в медицинской диагностике (например, в оптической томографии и спектроскопии), а также в системах квантовой криптографии.
ЛФД на основе арсенида галлия—индия работают в ближнем и коротковолновом ИК-диапазонах (900–1700 нм). Это делает их ключевыми компонентами в волоконно-оптической связи, телекоммуникациях и дальнометрии.
Физики создали квантовый холст для управления светом с помощью жидких кристаллов.
Группа исследователей из МФТИ, Санкт-Петербургского и Владимирского государственного университетов разработала и теоретически обосновала новую платформу для контроля над гибридными частицами света и материи — экситон-поляритонами. Объединив свойства жидких кристаллов, полупроводниковых перовскитов и мощного вычислительного метода топологической оптимизации, ученые показали, как можно создавать сложные световые поля с заранее заданной структурой, включая полноценные полутоновые изображения и области с различной поляризацией света.
Современная фотоника, наука об управлении светом, стремится к миниатюризации и усложнению оптических устройств. На смену громоздким линзам и зеркалам приходят компактные чипы, способные манипулировать светом на наномасштабе. В авангарде этих исследований находятся экситон-поляритоны — удивительные квазичастицы, представляющие собой гибрид фотона (частицы света) и экситона (квазичастицы, описывающей возбужденное состояние электрона в полупроводнике). Поляритоны наследуют лучшие качества от своих «родителей»: от фотонов они получают легкость и способность быстро перемещаться на большие расстояния, а от экситонов — умение эффективно взаимодействовать друг с другом.
Возможность создавать световые поля со сложной пространственной и поляризационной структурой востребована в самых разных областях — от оптических пинцетов и сверхразрешающей микроскопии до систем оптической связи и хранения данных, где поляризация может служить дополнительным каналом для кодирования информации. В более отдаленной перспективе такие системы могут стать основой для оптических нейроморфных сетей и симуляторов сложных квантовых систем
Исследователи из Университета штата Пенсильвания разработали чип из нитрида галлия, способный работать при температуре 800 °C
Два полупроводника — карбид кремния и нитрид галлия — соперничают в (в буквальном смысле) жаркой борьбе за создание схем, способных работать при самых высоких температурах. Карбид кремния лидировал, работая при температуре 600 °C. Но нитрид галлия, обладающий уникальными свойствами, которые делают его более функциональным при высоких температурах, теперь превзошёл SiC.
Эта разработка может иметь решающее значение для будущих космических зондов, реактивных двигателей, фармацевтических процессов и множества других областей применения, где требуются схемы, способные работать в экстремальных условиях. е систем, о которых ещё никто даже не задумывался.
Способность карбида кремния и нитрида галлия работать в таких экстремальных условиях обусловлена их широкой запрещённой зоной. Это энергетический зазор между валентными зонами материалов, где электроны связаны с молекулой, и зоной проводимости, где они могут свободно участвовать в передаче электричества. При высоких температурах электроны в материалах с более узкой запрещённой зоной всегда достаточно возбуждены, чтобы достичь зоны проводимости. Это создаёт проблему для транзисторов, поскольку они не могут выключиться. Из-за широкой запрещённой зоны карбида кремния и нитрида галлия для возбуждения электронов в зоне проводимости требуется больше энергии, поэтому транзисторы не включаются самопроизвольно при высоких температурах.
Нитрид галлия также обладает уникальными свойствами по сравнению с карбидом кремния, что позволяет лучше работать в условиях высоких температур. Чип, разработанный исследователями, состоит из так называемых нитрид-галлиевых транзисторов с высокой подвижностью электронов (HEMT). Структура GaN HEMT включает в себя плёнку из нитрида алюминия и галлия, расположенную поверх слоя нитрида галлия. Эта структура направляет электроны к границе раздела двух материалов.
Этот слой электронов, называемый двумерным электронным газом (2DEG), отличается высокой концентрацией и перемещается с небольшим сопротивлением. Это означает, что в 2DEG заряд перемещается гораздо быстрее, что позволяет транзистору быстрее реагировать на изменения напряжения и переключаться между включённым и выключенным состояниями. Более быстрое перемещение электронов также позволяет транзистору пропускать больший ток при заданном напряжении. Двумерный электронный газ сложнее получить из карбида кремния, поэтому его чипам сложнее достичь производительности устройств на основе нитрида галлия.
Чтобы заставить GaN HEMT работать при температуре 800 °C, пришлось внести некоторые изменения в его структуру, объясняют исследователи. Некоторые из этих мер были направлены на минимизацию тока утечки — заряда, который просачивается даже тогда, когда транзистор должен быть выключен. Они добились этого, используя тантал силицидный барьер для защиты компонентов устройства от воздействия окружающей среды и предотвращая соприкосновение внешнего слоя металла по бокам устройства с 2D-электронной газом, что привело бы к дальнейшему увеличению тока утечки и нестабильности транзистора.
Компания Micron сообщила о выпуске первых в индустрии 256-гигабитных чипов SLC NAND для работы в условиях космоса. Эти микросхемы устойчивы к радиации, низким температурам и вакууму. Подобную память никто в мире больше не производит. По крайней мере, в промышленных масштабах. Новые чипы имеют высочайшую в своём классе плотность и позже будут дополнены «космическими» чипами памяти NAND, NOR и DRAM.
Представленные Micron чипы были испытаны по протоколам NASA PEM-INST-001 Level 2 flow и военному стандарту США MIL-STD-883 TM1019 condition D. В первом случае была проведена годичная проверка компонентов, включая циклирование при экстремальных температурах, 590 часов проверок дефектов и динамическую проверку надёжности для обеспечения возможности космических полетов, на устойчивость к дозам ионизирующего излучения, и испытание на воздействие единичного события (SEE).