Фотонные технологии в цифровой экономике
Представьте, что данные проходят через дата-центр буквально со скоростью света. Никаких привычных задержек и узких мест, информация перемещается не по медным проводам, а по оптическим каналам. Сейчас на наших глазах начинается новая технологическая волна, и в её основе материалы, которые недавно были в плоскости чисто научных интересов. Перовскиты дают возможность создавать быстрые и доступные фотонные чипы, которые можно будет массово производить.
Почему заговорили о фотонных чипах
В последние годы обсуждение фотонных чипов всё чаще выходит за пределы научного сообщества и становится темой для бизнеса и ИТ-отрасли. Традиционные электронные микросхемы постепенно подходят к физическим и технологическим ограничениям. Закон Мура, по которому плотность транзисторов на чипах удваивалась каждые два года, уже почти не работает. Чипы становятся всё меньше, но их энергоэффективность и производительность растут гораздо медленнее, чем раньше.
На этом фоне оптические решения, и прежде всего фотонные технологии, выглядят всё более перспективно. Фотоны, в отличие от электронов, не сталкиваются с сопротивлением проводников, не теряют энергию при передаче данных и способны транспортировать информацию на большие расстояния практически без искажений и потерь.
В магистральных сетях оптоволоконные линии давно вытеснили медные кабели, именно по ним проходят основные потоки интернет-трафика между странами и континентами. Но внутри серверов, дата-центров и самих чипов информация по-прежнему «зашита» в электрические сигналы и упирается в ограничения электроники.
Следующим логичным шагом напрашивается полный переход на работу со светом и внутри вычислительных устройств. Это позволит выполнять не только передачу, но и обработку данных со скоростью, недоступной обычной электронике. Такие изменения откроют путь к новым стандартам в работе облачных сервисов, искусственного интеллекта, Big Data и цифровой экономики в целом.
Разберемся в научной терминологии
Чтобы понять, почему вокруг новых фотонных чипов столько разговоров, важно разобраться в двух основных понятиях: перовскиты и экситон-поляритоны.
Перовскиты — это семейство кристаллических материалов с необычной внутренней структурой. Они интересуют учёных по всему миру благодаря сочетанию сразу нескольких полезных свойств. Перовскиты хорошо проводят электричество и свет. Их легко получать из доступных компонентов, а производить быстро и дёшево. Именно поэтому такие материалы уже применяются в солнечных батареях и светодиодных экранах. Важной особенностью является то, что перовскиты можно выращивать в виде тонких, почти идеально ровных слоёв толщиной всего в несколько нанометров. Это даёт огромные возможности для современной электроники и оптики.
Галогенидные перовскиты — подвид перовскитов, в которых в кристаллическую решётку включены галогены, такие как бром или хлор. Одним из самых изучаемых представителей сегодня стал метиламмоний трибромосвинец (MAPbBr₃). Такие соединения не только недороги и просты в синтезе, но и обладают нужной для фотонных технологий чистотой и стабильностью.
Вторым ключевым понятием является экситон-поляритоны. Это особые квазичастицы, которые рождаются на стыке света и вещества. Когда фотоны взаимодействуют с определёнными электронными состояниями внутри кристалла (экситонами), появляется гибрид. От света экситон-поляритоны получают способность быстро двигаться и переносить информацию, от материи — возможность гибко управлять потоком и взаимодействовать с окружающей средой.
Если сравнивать с движением по шоссе, то фотоны можно представить как простые автомобили, а экситон-поляритоны будут уже машинами с мощным ускорением и умной подвеской, которые могут менять траекторию прямо на ходу и даже «прогибать» саму дорогу под себя.
Главное открытие последних лет, экситон-поляритоны в галогенидных перовскитах, могут работать при комнатной температуре, а не только в экстремальных условиях, как раньше. Это делает такие материалы не просто лабораторным феноменом, а по-настоящему пригодной платформой для промышленного производства оптических чипов. Благодаря этому технология выходит за пределы научных экспериментов и может быть востребована в реальном бизнесе и современной ИТ-индустрии.
Суть последних открытий
Международная команда исследователей сделала то, что ещё недавно казалось невозможным: они создали и успешно протестировали лабораторные образцы волноводов из галогенидных перовскитов — тонких и чистых структур, по которым световые импульсы проходят практически без потерь. Особая ценность этих волноводов заключается не только в их прозрачности для света, но и в том, как сам материал реагирует на световые сигналы. В отличие от обычных материалов, перовскиты могут менять свои оптические свойства в зависимости от мощности и формы проходящего сигнала. Иначе говоря, это не просто «труба» для фотонов, а живая среда, способная динамично подстраиваться под каждое новое воздействие.
Ключевое достижение в том, что исследователи научились управлять потоком фотонов не только с помощью внешней электроники, но и прямо через взаимодействие самих фотонов друг с другом. Теперь свет может управлять светом без необходимости перехода в электронную форму сигнала. Это и есть фундамент для создания новых оптических транзисторов и логических элементов: данные можно будет переключать, обрабатывать и хранить с помощью одних только световых импульсов.
В ходе экспериментов учёные наблюдали несколько важных эффектов. Например, так называемую самофазовую модуляцию: когда мощный импульс света изменяет форму и структуру собственного сигнала. Он может разделиться на два, сжаться или растянуться. Это открывает новые способы управлять передачей данных прямо по ходу движения сигнала. Ещё один ключевой результат — формирование оптических солитонов и ударных волн: устойчивых, «несминаемых» форм сигнала, которые можно надёжно передавать на большие расстояния без искажений. Именно такие эффекты особенно ценны для высокоскоростных линий связи и новых архитектур процессоров.
Раньше подобные явления наблюдали только в редких, сложных и дорогих материалах, причём исключительно при экстремально низких температурах. Теперь галогенидные перовскиты доказали свою работоспособность при обычной комнатной температуре, а значит, подходят для промышленного производства и массового применения. Это не просто лабораторное достижение, а настоящий шаг к тому, чтобы фотонные технологии стали частью реальных решений для ИТ и промышленности.
Прототипы и первые продукты
За последние два года фотонные технологии на базе перовскитов прошли важные рубежи. В 2024–2025 годах международная группа исследователей из России (ИТМО), Германии, Швейцарии, Турции и Великобритании впервые продемонстрировала работу волноводов из перовскита MAPbBr₃, в которых ультракороткие световые импульсы проходят без потерь и проявляют выраженные нелинейные эффекты, такие как самофазовая модуляция и формирование солитонов. Главное, что эти результаты получены при комнатной температуре, что отличает новые материалы от всех предыдущих разработок, где требовались криогенные условия.
В лабораториях ИТМО и университетов Европы уже созданы демонстрационные образцы оптических модуляторов и прототипы фотонных транзисторов, способных переключать световые импульсы без перехода в электронный режим. Результаты экспериментов опубликованы в ведущих журналах, включая Nature Communications и Nano Letters.
В США, Китае и ЕС активно развиваются стартапы, работающие с фотонными интегральными схемами на перовскитах. Среди них можно отметить американский стартап Lightwave Logic (разрабатывает фотонные модуляторы для дата-центров), китайская компания Sinano Photonics (работает над фотонными чипами для телеком-оборудования), а также подразделения Intel и IBM, которые ведут собственные программы по интеграции оптических элементов в серверные системы.
Только за последние три года подано более 600 патентных заявок на устройства и технологии, связанные с фотонными чипами и сенсорами на перовскитах.
Перовскиты уже используются и вне вычислительной техники: к примеру, тонкоплёночные солнечные панели на перовскитах, разработанные Oxford PV (Великобритания), доступны на рынке и показывают рекордные показатели эффективности с КПД до 28%. В LED-индустрии перовскитовые нанокристаллы применяются для повышения яркости и ресурса дисплеев (Samsung, TCL, LG).
Что касается сенсоров, в 2023 году опубликованы работы групп из ETH Zurich и ИТМО по созданию сверхчувствительных газовых сенсоров на основе перовскитовых платформ. Такие сенсоры проходят пилотные тесты для контроля воздуха на промышленных объектах и в лабораторной диагностике.
Реалии применения технологии
Внедрение фотонных технологий, построенных на новых материалах вроде галогенидных перовскитов, способно изменить привычные процессы не только в ИТ-индустрии, но и далеко за её пределами. Ожидание здесь не просто в очередной «быстрее и эффективнее» а в том, что фотонные чипы действительно могут задать новые стандарты скорости, экономии и гибкости в работе с данными.
Прежде всего, это касается дата-центров. В этих огромных вычислительных «цехах» вопрос скорости и энергопотребления стоит особенно остро: каждый процент дополнительной производительности и каждый ватт, сэкономленный на охлаждении, в итоге оборачиваются миллионами долларов экономии в год. Переход на фотонные чипы, которые почти не выделяют тепла и способны обрабатывать терабайты информации за доли секунды, способен радикально снизить издержки и повысить надежность работы серверных ферм.
Но этим потенциал не ограничивается. Облачные вычисления и работа с большими данными (Big Data) тоже выигрывают от внедрения новых оптических технологий. Обработка массивов информации без задержек становится реальностью, а значит и цифровые продукты и сервисы смогут работать стабильнее и быстрее, даже при взрывном росте объёмов данных. Для бизнеса это не только экономия времени и ресурсов, но и возможность запускать принципиально новые сервисы, которые раньше просто не были бы технически реализуемы.
Отдельное направление применения в телекоммуникациях. Уже сейчас магистральные линии между городами и странами строятся на оптоволоконных технологиях, но внутри дата-центров и устройств по-прежнему работают электронные компоненты. Оптические транзисторы нового поколения позволят «проложить» световые трассы и внутри серверов, а значит убрать последние узкие места и обеспечить рекордные скорости передачи данных без лишних потерь.
Не стоит забывать и о квантовых технологиях и искусственном интеллекте. Здесь фотонные чипы на перовскитах способны стать фундаментом совершенно новых решений: для сверхточных квантовых вычислений, для «умных» сенсоров, которые реагируют и анализируют сигналы прямо в процессе их получения. Это открывает дорогу и для медицины, и для биотехнологий: платформы на базе перовскитов уже начинают применять для создания чувствительных газовых сенсоров и новых систем мониторинга состояния среды.
Рынок и экономика фотонов
Фотонные технологии и новые материалы для оптических чипов сегодня уже стали сферой острой международной конкуренции и многомиллиардных инвестиций. Гонка за лидерство идёт сразу на нескольких континентах: США, Китай, страны Европейского союза и Россия вкладывают значительные ресурсы в разработки, которые могут стать технологическим фундаментом для цифровой экономики ближайших лет.
Рынок интегральной фотоники уже сегодня оценивается в миллиарды долларов, а его потенциал стремительно растёт.
Согласно данным Allied Market Research, к 2032 году объём этого рынка может превысить $45 млрд, при среднем ежегодном темпе роста более 20%. Это направление становится одним из самых быстроразвивающихся в ИТ-секторе и электронике.
На передовой находятся не только технологические гиганты вроде Google, IBM, Huawei и Intel, но и ведущие университеты, а также динамичные стартапы, специализирующиеся на фотонных компонентах и интегральных решениях. Конкуренция подогревается не только экономическими интересами, но и вопросами технологической независимости: каждая страна стремится иметь собственные критически важные решения для цифровой инфраструктуры.
Что пока мешает массовому внедрению
Несмотря на впечатляющие лабораторные успехи и очевидный потенциал фотонных чипов, переход к массовому внедрению таких решений пока сопряжён с целым рядом вызовов. Первый и самым очевидным барьером остается масштабирование производства.
Создать единичные образцы нового поколения не так сложно, но обеспечить стабильный выпуск миллионов качественных перовскитовых чипов с заданными характеристиками задача совершенно иного уровня. Здесь многое зависит от того, насколько производители сумеют отладить технологию и сократить процент брака при сборке сложных оптических структур.
Не менее важен вопрос долговечности. Сегодня перовскиты уступают по сроку службы привычным полупроводникам: материалы могут деградировать под воздействием влаги, света или температуры. Для массового рынка и критических инфраструктур такие риски недопустимы, поэтому исследователи ищут пути повысить стабильность и надёжность новых чипов, и это требует времени.
Третий вызов — интеграция фотонных компонентов с уже существующими электронными системами. Промышленности необходимы новые стандарты, интерфейсы и подходы, чтобы оптические чипы и электронные платы могли «разговаривать» на одном языке. И это отдельное направление инженерных и бизнес-усилий.
И, наконец, вопрос экологии. Многие перовскитовые материалы содержат такие элементы, как свинец, что требует строго контроля на всех этапах производства и утилизации. Пока не будут выработаны безопасные и экономически оправданные решения по обращению с такими материалами, массовое внедрение фотонных чипов будет ограничено и с этой стороны.
Так или иначе, все эти проблемы — решаемы, и большинство из них уже находятся в фокусе научных и промышленных исследований. Но путь от лаборатории до рынка всегда требует времени, ресурсов и слаженной работы многих команд.
Когда ждать фотонные компьютеры
Переход от экспериментов к реальному внедрению новых технологий всегда занимает время, и фотонные чипы не исключение. По оценкам экспертов, первые прототипы оптических чипов на основе перовскитов могут появиться в коммерческих дата-центрах уже в ближайшие 3–5 лет. Это будет этап пилотных внедрений, когда бизнес получит возможность протестировать новые решения в реальных условиях.
Массовое внедрение фотонных компонентов, по прогнозам, может начаться ближе к концу десятилетия и при условии, что будут решены задачи с масштабированием производства и повышением долговечности материалов.
К этому моменту фотонные чипы могут стать не просто экспериментальной новинкой, а полноценной альтернативой привычным электронным устройствам, своего рода «новым кремнием» для ИТ-индустрии.
Особое место в этой истории занимает Россия. Благодаря сильным научным школам и таким коллективам, как команда Университета ИТМО, страна уже сегодня участвует в разработке ключевых технологий и фундаментальных исследований в области фотоники. Если получится наладить локальное производство и удержать квалифицированные кадры, российские компании смогут занять прочные позиции на глобальном рынке новых материалов и решений.