Радио­фото­ника

Зачем нам надо лезть в радиофотонику?

Колонка редактора
от 30.08.2013 г.

Объяснять нашу потребность в радиофотонике (в международной терминологии microwave photonics) — очень сложно, так как труднее всего объяснить очевидные вещи.

Ну начнём с «простого» — с персональных компьютеров. Тактовая частота большинства из них не превышает 3 ГГц. Вопрос — почему? Ведь есть полупроводниковые аналоговые устройства — усилители, смесители и т. д., которые могут работать на частотах до 100 ГГц и выше. Причина одна — уровень интеграции. Каждый чип процессора содержит сотни миллионов элементарных ячеек — триггеров. И на каждый «удар бубна» — тактового генератора — происходит их переход из одного устойчивого состояния в другое, сопровождаемое протеканием микротока, и как следствие, выделением микродозы тепла. И если компьютер выполняет хотя бы один миллиард операций в секунду — это, как минимум, десятки миллиардов микротоков в секунду, а значит и десятки миллиардов микродоз выделяемого тепла. Каждая микродоза — это почти ничего, но сумма этих микродоз — начинает буквально жечь пальцы (до 120°С и более на корпусе чипа). И чем выше тактовая частота — тем больше выделяется тепла. И это тепло от чипа нужно как-то отводить. Для этого, в числе прочего:

  • по самое немогу уменьшается толщина подложек процессоров,
  • в качестве «несущей» конструкции процессоров используются пластины из диэлектриков с как можно более высокой теплопроводностью (технология кремний-на-изоляторе, где в качестве изолятора может использоваться сапфир, алмаз и т.д.),
  • в процессоры заводятся специальные теплоотводящие микромагистрали,
  • а так же используются внешние охлаждающие устройства типа кулеров, которые свистят и завывают на все голоса, кода пользователи особо сильно напрягают процессоры — например при использовании САПР СВЧ устройств или особо накрученных графических редакторов.

Понятно, что всё это стоит денег — и не малых. И если для решения специиальных задач для специальных государственных структур (системы ПРО, ФАПСИ, моделирование ядерных взрывов и т.д.) деньги на всю эту музыку находятся — то в условиях массового производства для массового потребителя приходится искать некий оптимум между тактовой частотой процессора и его ценой. И судя по всему такой коммерчески рентабельной, в настоящий момент, является тактовая частота около 3 ГГц.

Тогда возникает вопрос — а как же тогда создаются эти суперЭВМ — все эти тера-, пета- и эксафлопсы? На этот вопрос можно ответить так, что производительность суперЭВМ уже давно не определяется только тактовой частотой используемых в них процессоров. Для подтверждения этого утверждения достаточно сравнить параметры одного их первых компьютеров и сегодняшних суперЭВМ типа петафлопса. Лучшие компьютеры на рубеже 40-50-х годов прошлого века имели тактовую частоту примерно в 0.5 МГц и производительность порядка 2 000 операций в секунду. А современные петафлопсы работают с тактовой частотой 3 ГГц имеют производительность до 1015 операций в секунду (например, петафлопс «Ломоносов» в МГУ). Таким образом, производительность компьютеров за последние 60 лет возросла почти на 13 порядков (1015 - 2×103), а тактовая частота выросла всего лишь в 6 000 раз (3 000 МГц / 0.5 МГц). Тогда за счёт чего так выросла производительность ЭВМ? Ответ один — проектировщики научились эффективно запараллеливать процессоры. Это запараллеливание может быть «внутренним» — это когда на одном чипе создаются т.н. многоядерные процессоры. Но это не даёт какого-то принципиального выигрыша — тут речь может идти об увеличении производительности в разы, ну, в крайнем случае — на порядок с небольшим (например, при реализации 20-ядерного процессора). А вот если использовать внешние — по отношению к чипу процессора — запараллеливания — то вот тут и начинается реальное ускорение на многие порядки. А для этого запараллеливания нужны линии связи, протяжённостью до единиц и десятков метров.

Определим требуемый диапазон рабочих частот для таких линий. Обмен информацией между блоками суперЭВМ должен проходить на высокой скорости — до десятков и сотен (а сейчас — и тысяч) Гб/сек. Рассмотрим с физической точки зрения, что такое, например, 10 ГГб/сек (вычисления будут вестись весьма приблизительно, чтобы на доступных для понимания примерах дать количественную оценку с погрешностью в границах одного порядка). Если говорить о самом крайнем случае — то при такой скорости мы должны передавать одну элементарную посылку в 0.1 нсек (0.1×10-9сек). Т.е. — за одну десятую наносекунды должен произойти перепад с логической единицы в логический ноль и обратно в единицу (или наоборот — начиная с логического нуля). А это значит, для того, чтобы передавать информацию со скоростью 10 Гб/сек мы не можем пользоваться импульсами длиннее 1/30 нсек. Ширина только «первого лепестка» спектра такого импульса составит около 30 ГГц — а это сверхширокополосный сигнал, который имеет спектр от постоянной составляющей до составляющих с частотами милиметрового диапазона длин волн. И это, повторяю, при скорости всего лишь в 10 Гб/сек. Очевидно, что сигналы с такими частотами по длинным — до 10-ти и более метров — проволочным «соплям» типа витой пары не передашь. Тут нужны, как минимум, коаксиальные кабели, причём много коаксиальных кабелей, которые, прежде всего, просто некуда будет девать. Но это не является главной проблемой. Главная проблема — это амплитудные и фазовые искажения, которые будут вносить коаксиальные кабели при передаче таких сверхширокополосных сигналов, что будет приводить к «разваливанию» передаваемых импульсов, и как следствие, к искажениям передаваемых цифровых сообщений. Вот для решения этих проблем и стали использоваться волоконно-оптические линии связи (ВОЛС), которые решили эту проблему фундаментально. А решается эта проблема физиически так — сначала оптический сигнал модулируется вышеупомянутым сверхширокополосным электрическим сигналом, потом промодулированный оптический сигнал проходит полагающееся ему расстояние по оптоволокну и поступает на фотодетектор. На выходе фотодетектора восстанавливается тот электрический сигнал, при помощи которого осуществлялась модуляция оптического сигнала. В этом случае, спектр промодулированного оптического сигнала будет ещё шире спектра модулирующего электрического сигнала в 2 раза и составит 60 ГГц, но на «фоне», как правило, используемой частоты несущей оптического сигнала т.н. ближнего инфракрасного диапазона (длина волны 1.55 мкм или ~ 2 × 1014 Гц), относительная ширина этого спектра составит всего лишь сотые доли процента. При такой относительной полосе оптический тракт практически не вносит ни амплитудных, ни фазовых искажений.

— Таким образом, для того чтобы создать суперЭВМ необходимо, в частности, создать высокоскоростные линии связи со скоростями передачи информации до десятков, сотен, и даже тысяч Гб/cек.

— А для эффективной работы этих линий необходимо обеспечить эффективную модуляцию оптического сигнала сверхширокополосным электрическим сигналом с полосой от постоянного тока до десятков и сотен ГГц с последующей эффективной демодуляцией этого сигнала и восстановлением спектра модулирующего сигнала с минимальными искажениями.

— А такая модуляция и такая демодуляция осуществляются средствами и методами именно радиофотоники (или как это назвается за рубежом — microwave photonic — или MWP — или микроволновой фотоники).

— Таким образом, если хочешь создавать собственные суперЭВМ — вкладывайся в развитие радиофотоники.

И только этого уже было бы достаточно для того, чтобы прекратились вопросы о целесообразности занятий этой тематикой в тех госструктурах, которые отслеживают исходящие из—за рубежа угрозы для нашей страны.

Однако, есть и другие причины, по которым следует самым серьёзным образом отслеживать ситуацию с радиофотоникой в мире. Вот одна из них — и возможно, самая критическая.

Уже сейчас — во всех без исключения видах силовых «разборок» — сильнее оказывается тот, кто быстрее получает и обрабатывает информацию. Не надо быть особо талантливым Нострадамусом, чтобы предположить, что дальше эта тенденция будет только усиливаться. И значит, потребность во всё более высокоскоростных устройствах обработки информации будет только возрастать.

Но ведь во многих случаях информацию приходится получать не с выхода канализирующих структур — типа коаксиального кабеля или оптоволокна — да ещё и не в цифровом виде. Например, из эфира — в виде радиосигналов, как это делается в радиолокационных системах (РЛС), системах радиоэлектронной борьбы и радиоэлектронного противодействия (РЭБ и РЭП) и системах радиоэлектронной разведки (РЭР). Для того, чтобы извлечь информацию из этих сигналов, их надо принять, а потом обработать. Что касается приёма, то тут всё понятно — это делается только при помощи 100%-аналоговых антенн. А вот дальше — могут быть варианты. Сигналы на выходах антенн могут быть и непрерывными, и импульсными, но все эти сигналы будут аналоговыми. А финальной обработкой сигналов, в результате которой и создаётся выходной «файл» с информацией о параметрах сигнала — занимается бортовая цифровая вычислительная машина (БЦВМ). А её нельзя сразу подключить к выходу антенны, так как БЦВМ может обрабатывать только цифровые сигналы.

Следовательно, принятые антеннами сигналы должны быть оцифрованы. И какие возможности по части оцифровки мы сейчас имеем? Ведущие производители метрологической техники — типа Agilent Technologies — уже готовы поставлять цифровые осциллографы с диапазоном рабочих частот до 150 ГГц. Но это для случая лабораторных условий эксплуатации, а условия эксплуатации РЭА военного и специального назначения (ВСН), мягко говоря, отличаются от лабораторных. А кроме того, имеются существенные ограничения как по массе, так и по габаритам устройств оцифровки. А если ко всему этому добавит спецстойкость… Поэтому, в РЭА ВСН, как правило, невозможно применять те АЦП, а так же те схемотехнические, технологические и конструктивные решения, которые применяются в лабораторной метрологической аппаратуре.

Поэтому, возможности РЭА ВСН по части оцифровки гораздо скромнее — речь может идти только о единицах гигагерц, причём эти единицы доступны только всяким Локхид-Мартинам, Нортроп-Груманам и прочим BAE-sytems. А отечественные специалисты могут рассчитывать на оцифровку сигналов с частотами до 100 МГц при разрешающей способности порядка 10-12 бит при использовании отечественных АЦП. При использовании теоретически доступных нам импортных АЦП — частота «оцифруемых» сигналов может подняться до нескольких сотен МГц — не выше.

Откуда такие ограничения? А из особенностей устройства нашего мира. Из-за этих особенностей быстродействие, и разрешающая способность «традиционных» электронных полупроводниковых АЦП не может повышаться до бесконечности — есть некоторые пределы, комплекс которых принято называть «стеной Волдена» (Robert H. Walden, Смотреть статью в формате pdf). И перешагнуть их можно только при переходе на другие физические принципы — например, при использовании методов и средств радифотоники (Смотреть статью в формате pdf). В этом случае — стена Волдена «смещается» до неопределённости Гейзенберга. А если говорить про конкретные цифры — то потенциальные возможности радифотонных АЦП могут быть такими: 840 гигавыборок / сек при разрешении 12 бит. А это значит, что при помощи таких АЦП возможна прямая оцифровка сигналов с частотами до 100 ГГц и выше. А это значит — гигантская скорость обработки аналоговых сигналов на выходах антенн. Таким образом — тот, кто первым получит такие АЦП — сможет создать «сверхоружие», которое, возможно, сможет «проломить» систему ПРО, или наоборот — сделать систему ПРО «непробиваемой»? И потому — обладание такими АЦП в скором времени станет настолько же актуальным, как и обладание атомным оружием на рубеже 40-50-х годов прошлого века. Американцы этой проблемой занимаются уже лет 15-ть.

И какие доводы ещё кому-то нужны для того, чтобы оторвать задницу от кресла и заняться хотя бы сбором информации по этой тематике?

Но создание радиофотонных АЦП — это дело будущего (для отечественных специалистов — далёкого будущего). Тогда возникает вопрос — а как сейчас принимаемые антеннами аналоговые СВЧ сигналы переводятся в цифру? А делается это так — сначала принятые антеннами аналоговые сигналы, образно говоря «пережёвываются» аналоговыми процессорами до той «консистенции», которая уже по зубам имеющимся низкочастотным АЦП. Например, радиосигналы с несущей в десятки ГГц с длительностью доли микросекунд детектируются в амплитудных детекторах, на выходе которых формируется видеоимпульс длительностью в доли микросекунд, ширина спектра которого не превышает десятков мегагерц. А такой сигнал уже можно спокойно оцифровывать. Или осуществляется супергетеродинный приём, когда при помощи смесителя и сигнала гетеродина несущая того же радиоимпульса переносится на частоту, например, в несколько десятков МГц. И такой радиоимпульс — с длительностью в доли микросекунд и несущей в десятки мегагерц — так же уже сейчас может оцифрован.

А кроме того, для аналоговой обработки принятых антеннами сигналов могут использоваться и другие аналоговые процессоры: усилители, частотные фильтры, частотные и фазовые детекторы (дискриминаторы), линии задержки и т.д.. И вот для реализации этих аналоговых процессоров так же могут использоваться методы и средства радиофотоники. При этом, радиофотонные аналоговые процессоры диапазона СВЧ могут обладать такими функциональными возможностями и такими электрическими параметрами, которые физически невозможно получить на традиционных «электронных» аналоговых процессорах. Например, можно создать сверхширокополосные радифотонные амплитудные детекторы, чувствительность которых может быть значительно выше чувствительности амплитудных детекторов на диодах с барьером Шоттки — и это при потенциально более широком диапазоне рабочих частот.

Однако, всё вышесказанное про радиофотонные аналоговые процессоры справедливо только при одном условии — если для реализации модуляции оптического сигнала СВЧ сигналом используются электрооптические модуляторы Маха—Цандера с полуволновыми напряжениями (Uπ) не выше 1 В. На рынке такие модуляторы купить невозможно — для цифровых ВОЛС они не нужны. И все понимают (из тех — кто понимает), что такие модуляторы нужны только для РЭА ВСН. И если они производятся — то только по конкретному заказу конкретного производителя для конкретного изделия. И потому модуляторы с Uπ ≤ 1 В, в настоящий момент, можно только «достать».

Но это совершенно не значит, что в данный момент мы не нуждаемся в модуляторах с большими Uπ — ведь надо же нам хоть на чём-то учиться и «набивать руку». Поэтому, сверхширокополосные модуляторы (0—20ГГц, 0—40ГГц) с Uπ до 4—5 В для нас в данный момент тоже крайне актуальны.

P.S.

Если у заинтересованных лиц возникнет потребность более детально разобраться со всем комплексом вопросов, связанных с радиофотоникой, то для пользы дела, мы готовы дать более детальные устные и письменные консультации. Понятно, что и то и другое мы сможем сделать только после предъявления собеседниками соответствующих «верительных грамот».

2017 г. Проект «Радиофотоника»