Jak fungují nanolasery – a proč by mohly snížit spotřebu energie počítačů na polovinu

Úzké hrdlo uvnitř každého čipu

Moderní počítače mají skrytý energetický problém. Zatímco se procesory exponenciálně zrychlují, drobné elektrické vodiče, které přenášejí data mezi komponentami, s nimi nedrží krok. Tyto měděné propojky generují teplo, plýtvají energií na zesilování signálu a vytvářejí úzká hrdla, která omezují rychlost pohybu informací uvnitř čipu. Podle některých odhadů se propojky podílejí téměř 30 % na celkové spotřebě energie datových center.

Řešením, jak se fyzici domnívají, je nahradit elektrony fotony – částicemi světla, které se pohybují rychleji, generují méně tepla a přenášejí více dat. Chybějícím článkem byl laser, který by byl dostatečně malý a účinný, aby mohl být zabudován přímo do mikročipu. A právě zde přicházejí na řadu nanolasery.

Co je to nanolaser?

Nanolaser je zdroj světla zmenšený na rozměry menší, než je vlnová délka světla, které vyzařuje – typicky jen několik stovek nanometrů. Na rozdíl od laserů používaných ve vláknové optice, které jsou pro použití na čipu příliš velké a energeticky náročné, jsou nanolasery navrženy tak, aby jich mohly být tisíce integrovány na jediný kousek křemíku.

Jádrem nanolaseru je struktura zvaná nanokavita – uměle vytvořená past, která uzavírá fotony do mimořádně malého objemu. Když je polovodičový materiál uvnitř kavity excitován („pumpován“) energií, elektrony uvolňují fotony. Nanokavita odráží tyto fotony tam a zpět a zesiluje je prostřednictvím stimulované emise – stejného principu, který stojí za všemi lasery – dokud se neobjeví koherentní paprsek světla.

Průlom na DTU

Ve výzkumu publikovaném v časopise Science Advances tým z Dánské technické univerzity (DTU) demonstroval nanolaser, který dosahuje toho, co bylo dříve považováno za nemožné: kontinuální laserování při pokojové teplotě z čistě dielektrické nanokavity.

Tým vedený profesorem Jesperem Mørkem použil topologickou optimalizaci – výpočetní techniku, která systematicky prohledává miliony možných geometrií – k návrhu nanokavity v membráně z polovodiče indium fosfidu. Výsledkem je koncentrace elektronů i fotonů do ultramalé oblasti, čímž vzniká to, co výzkumníci nazývají „modrá stínová“ zóna extrémního elektromagnetického omezení.

„Naše práce pokládá základní stavební kámen pro fotonické čipy zítřka, kde se sbíhá rychlost a energetická účinnost,“ řekl prof. Mørk.

Předchozí návrhy nanolaserů se spoléhaly na kovové (plazmonické) kavity, které absorbují světlo a plýtvají energií. Přístup DTU používá pouze dielektrické materiály, což dramaticky snižuje optické ztráty a umožňuje laserování při pozoruhodně nízkých čerpacích výkonech – zhruba 1 000krát nižších než u komerčních polovodičových laserů.

Proč je to důležité pro výpočetní techniku

Dopady přesahují rámec laboratoře. Datová centra, která pohánějí umělou inteligenci, již spotřebovávají ohromné množství elektřiny a Goldman Sachs předpovídá 160% nárůst poptávky po energii datových center do roku 2030. Nahrazení elektrických propojek optickými by mohlo snížit spotřebu energie na bit o více než 60 %, jak uvádí průmyslová analýza publikovaná v npj Nanophotonics.

Prof. Mørk odhaduje, že fotonické propojky založené na nanolaserech by mohly snížit celkovou spotřebu energie počítačů na polovinu tím, že eliminují odporové zahřívání, které trápí měděné vodiče. Kromě úspory energie slibuje fotonický přenos dat vyšší hustotu šířky pásma – přenos více dat menším fyzickým prostorem.

Aplikace sahají i mimo datová centra. Nanolasery by mohly umožnit ultra-citlivé biomedicínské senzory, zobrazovací systémy s vysokým rozlišením a nové formy kvantového snímání a optické spektroskopie.

Co se ještě musí stát

Nanolaser DTU je v současné době opticky čerpán – k provozu potřebuje externí zdroj světla. Pro praktickou integraci do čipu musí být poháněn elektricky, stejně jako tranzistor. To zůstává klíčovou inženýrskou překážkou. Tým odhaduje, že elektricky čerpané nanolasery by se mohly objevit během pěti až deseti let, v závislosti na pokroku v nanovýrobě a technikách lokalizace nosičů.

Hlavní hráči již sázejí na širší fotonický trend. Společnosti NVIDIA a TSMC oznámily partnerství pro integraci optických propojek do čipů AI nové generace a Evropská unie financuje fotonický výzkum konkrétně za účelem řešení energetických problémů datových center.

Pokud výzkumníci vyřeší problém elektrického čerpání, nanolasery by se mohly stát pro budoucí počítače stejně zásadní jako tranzistory dnes – drobné motory světla pohánějící rychlejší a chladnější digitální svět.