Οπτικές Τρανζίστορ - Το Μέλλον της Ηλεκτρονικής

Σχεδόν όλες οι τεχνολογίες, αν και τείνουν να αναπτύσσονται, τελικά καταστούν παρωχημένες. Αυτό το μοτίβο δεν παρακάμπτει τα ηλεκτρονικά πυριτίου. Είναι εύκολο να παρατηρήσουμε ότι τα τελευταία χρόνια η πρόοδός της επιβραδύνθηκε σημαντικά και γενικά άλλαξε την κατεύθυνση της ανάπτυξής της.

Ο αριθμός των τρανζίστορ στα μικροτσίπ δεν διπλασιάζεται πλέον κάθε δύο χρόνια, όπως ήταν πριν. Και σήμερα, η απόδοση του υπολογιστή αυξάνεται όχι με την αύξηση της συχνότητας λειτουργίας, αλλά με την αύξηση του αριθμού πυρήνων στον επεξεργαστή, δηλαδή με την επέκταση των δυνατοτήτων για παράλληλες λειτουργίες.

Δεν είναι μυστικό ότι οποιοσδήποτε σύγχρονος υπολογιστής είναι χτισμένος από δισεκατομμύρια μικρά τρανζίστορπου αντιπροσωπεύουν συσκευές ημιαγωγών που διεξάγουν ηλεκτρικό ρεύμα όταν εφαρμόζεται σήμα ελέγχου.

Όσο μικρότερο όμως είναι το τρανζίστορ, τόσο πιο έντονα είναι τα ψευδή αποτελέσματα και οι διαρροές που παρεμβαίνουν στην κανονική λειτουργία του και αποτελούν εμπόδιο για τη δημιουργία ακόμη πιο συμπαγών και ταχύτερων συσκευών.

Αυτοί οι παράγοντες καθορίζουν το θεμελιώδες όριο για τη μικρογράφηση του μεγέθους του τρανζίστορ, επομένως ένα τρανζίστορ πυριτίου, κατ 'αρχήν, δεν μπορεί να έχει πάχος μεγαλύτερο από πέντε νανόμετρα.

Ο φυσικός λόγος έγκειται στο γεγονός ότι τα ηλεκτρόνια που κινούνται μέσω ενός ημιαγωγού σπαταλούν την ενέργεια τους απλώς και μόνο επειδή αυτά τα φορτισμένα σωματίδια έχουν μάζα. Και όσο υψηλότερη είναι η συχνότητα της συσκευής, τόσο μεγαλύτερη είναι η απώλεια ενέργειας σε αυτήν.

Με μείωση του μεγέθους του στοιχείου, αν και οι απώλειες ενέργειας με τη μορφή θερμότητας μπορούν να μειωθούν, η επίδραση της ατομικής δομής δεν μπορεί να αποτραπεί. Στην πράξη, η ατομική δομή αρχίζει να γίνεται εμπόδιο, αφού το μέγεθος στοιχείου που επιτυγχάνεται μέχρι σήμερα με 10 νανόμετρα είναι συγκρίσιμο κατά σειρά μεγέθους με μόλις εκατό άτομα πυριτίου.

Τα ηλεκτρόνια αντικαθιστούν τα φωτόνια

Αλλά τι γίνεται αν προσπαθήσετε να χρησιμοποιήσετε όχι το ρεύμα, αλλά το φως; Μετά από όλα, τα φωτόνια, σε αντίθεση με τα ηλεκτρόνια, δεν έχουν ούτε φορτίο ούτε μάζα ανάπαυσης, και ταυτόχρονα είναι τα ταχύτερα σωματίδια. Επιπλέον, οι ροές τους σε διαφορετικά μήκη κύματος δεν θα αλληλεπιδρούν μεταξύ τους κατά την σύγχρονη λειτουργία.

Έτσι, με τη μετάβαση στις οπτικές τεχνολογίες στον τομέα της διαχείρισης πληροφοριών, θα μπορούσε κανείς να πάρει πολλά πλεονεκτήματα έναντι των ημιαγωγών (με βαριά φορτισμένα σωματίδια που κινούνται μέσα από αυτά).

Οι πληροφορίες που αποστέλλονται μέσω δέσμης φωτός θα μπορούσαν να επεξεργαστούν άμεσα στη διαδικασία της μετάδοσής τους και οι δαπάνες ενέργειας δεν θα ήταν τόσο σημαντικές όσο όταν μεταδίδονται από ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο. Και οι παράλληλοι υπολογισμοί θα γίνονταν δυνατοί από τα εφαρμοζόμενα κύματα διαφορετικών μηκών και για το οπτικό σύστημα, καμία ηλεκτρομαγνητική παρεμβολή δεν θα ήταν βασικά ατρόμητος.

Τα προφανή πλεονεκτήματα της οπτικής έννοιας πάνω από την ηλεκτρική έχουν προσελκύσει από καιρό την προσοχή των επιστημόνων. Σήμερα όμως, η οπτική πληροφορική παραμένει σε μεγάλο βαθμό υβριδική, δηλαδή συνδυάζει ηλεκτρονικές και οπτικές προσεγγίσεις.

Με την ευκαιρία Ο πρώτος πρωτότυπος οπτικοηλεκτρονικός υπολογιστής δημιουργήθηκε το 1990 από την Bell Labs και το 2003 η Lenslet ανακοίνωσε τον πρώτο εμπορικό οπτικό επεξεργαστή EnLight256, ικανό να εκτελέσει μέχρι 8.000.000.000 λειτουργίες σε ακέραιους 8-bit ανά δευτερόλεπτο (8 teraop). Ωστόσο, παρά τα βήματα που έχουν ήδη ληφθεί προς αυτή την κατεύθυνση, εξακολουθούν να υπάρχουν ερωτήματα στον τομέα των οπτικών ηλεκτρονικών.

Μία από αυτές τις ερωτήσεις ήταν η εξής. Τα λογικά κυκλώματα υποδηλώνουν την απάντηση "1" ή "0" ανάλογα με το αν έχουν συμβεί δύο γεγονότα - Β και Α.Αλλά τα φωτόνια δεν παρατηρούν ο ένας τον άλλον και η απόκριση του κυκλώματος θα πρέπει να εξαρτάται από δύο φωτεινές δέσμες.

Η λογική του τρανζίστορ, που λειτουργεί με ρεύματα, το κάνει εύκολα. Και υπάρχουν πολλές παρόμοιες ερωτήσεις. Συνεπώς, δεν υπάρχουν ακόμη εμπορικά ελκυστικές οπτικές συσκευές που να βασίζονται στην οπτική λογική, αν και υπήρξαν κάποιες εξελίξεις. Έτσι, το 2015, επιστήμονες από το εργαστήριο νανοφωτονικών και μετα-υλικών του Πανεπιστημίου ITMO απέδειξαν σε ένα πείραμα τη δυνατότητα κατασκευής εξαιρετικά γρήγορο οπτικό τρανζίστορπου αποτελείται από ένα μόνο νανοσωματίδιο πυριτίου.

Μέχρι σήμερα, οι μηχανικοί και οι επιστήμονες πολλών ιδρυμάτων εργάζονται για το πρόβλημα της αντικατάστασης του πυριτίου με εναλλακτικές λύσεις: προσπαθούν graφένιο, το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου, σκέφτονται για τη χρήση των περιστροφών σωματιδίων και φυσικά - για το φως, ως έναν ουσιαστικά νέο τρόπο μετάδοσης και αποθήκευσης πληροφοριών.

Το φως ανάλογο του τρανζίστορ είναι η πιο σημαντική έννοια, η οποία συνίσταται στο γεγονός ότι χρειάζεστε μια συσκευή που μπορεί να περάσει επιλεκτικά ή να μην περάσει φωτόνια. Επιπλέον, είναι επιθυμητός ένας διαχωριστής, ο οποίος μπορεί να σπάσει τη δοκό σε μέρη και να αφαιρέσει ορισμένα ελαφρά συστατικά από αυτό.

Τα πρωτότυπα υπάρχουν ήδη, αλλά έχουν ένα πρόβλημα - τα μεγέθη τους είναι γιγαντιαία, μοιάζουν περισσότερο με τρανζίστορ από τα μέσα του περασμένου αιώνα, όταν μόλις ξεκίνησε η εποχή του υπολογιστή. Η μείωση του μεγέθους αυτών των τρανζίστορ και των διαιρέτες δεν είναι εύκολη υπόθεση.

Ξεπεραστεί το βασικό εμπόδιο

Και εν τω μεταξύ Στις αρχές του 2019, επιστήμονες από το εργαστήριο υβριδικής φωτονικής Skolteha, μαζί με συναδέλφους από την IBM, κατάφεραν να κατασκευάσουν το πρώτο οπτικό τρανζίστορ ικανό να λειτουργεί με συχνότητα 2 THz και ταυτόχρονα δεν απαιτεί ψύξη σε απόλυτο μηδέν.

Το αποτέλεσμα αποκτήθηκε χρησιμοποιώντας το πιο πολύπλοκο οπτικό σύστημα, το οποίο δημιουργήθηκε από το μακρύ επίπονο έργο της ομάδας. Και τώρα μπορούμε να πούμε ότι οι φωτονικοί επεξεργαστές που εκτελούν λειτουργίες με την ταχύτητα του φωτός είναι, κατ 'αρχήν, πραγματικοί, τόσο πραγματικοί όσο και οι οπτικές επικοινωνίες.

Το πρώτο βήμα έχει ληφθεί! Ένα μικροσκοπικό οπτικό τρανζίστορ που δεν απαιτεί ψύξη και είναι ικανό να λειτουργεί χιλιάδες φορές πιο γρήγορα από τον ηλεκτρονικό πρόγονο ημιαγωγού του έχει δημιουργηθεί.

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, ένα από τα βασικά προβλήματα στη δημιουργία στοιχείων για τους ελαφρούς υπολογιστές ήταν ότι τα φωτόνια δεν αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και είναι εξαιρετικά δύσκολο να ελέγχεται η κίνηση των σωματιδίων του φωτός. Ωστόσο, οι επιστήμονες έχουν διαπιστώσει ότι το πρόβλημα μπορεί να αντιμετωπιστεί με την προσφυγή στις λεγόμενες πολίτες.

Polariton - Ένα από τα πρόσφατα δημιουργημένα εικονικά σωματίδια, όπως ένα φωτόνιο, ικανό να παρουσιάσει τις ιδιότητες των κυμάτων και των σωματιδίων. Η πολικότητα περιλαμβάνει τρία συστατικά: έναν οπτικό συντονιστή, που αποτελείται από ένα ζευγάρι ανακλαστήρα, μεταξύ των οποίων ένα φως κύματος φυλάσσεται, καθώς και ένα κβαντικό πηγάδι. Ένα κβαντικό φρεάτιο αντιπροσωπεύεται από ένα άτομο με ένα ηλεκτρόνιο που περιστρέφεται γύρω του, ικανό να εκπέμπει ή να απορροφά ένα κβαντικό φως.

Στα πρώτα πειράματα, η πολυσυζητημένη πόλωση εμφανίστηκε σε όλη της τη δόξα, δείχνοντας ότι μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να δημιουργήσει τρανζίστορ και άλλα λογικά στοιχεία των ελαφρών υπολογιστών, αλλά υπήρξε ένα σοβαρό μειονέκτημα μόνο σε υπερυψηλές θερμοκρασίες κοντά στο απόλυτο μηδέν.

Αλλά οι επιστήμονες έχουν λύσει αυτό το πρόβλημα. Έμαθαν πώς να δημιουργήσουν πολικές μάζες όχι σε ημιαγωγούς, αλλά σε οργανικά ανάλογα ημιαγωγών, τα οποία διατηρούσαν όλες τις απαραίτητες ιδιότητες ακόμη και σε θερμοκρασία δωματίου.

Για τον ρόλο μιας τέτοιας ουσίας πολυπαραφαινυλένιο - ένα πρόσφατα ανακαλυφθέν πολυμερές, παρόμοιο με εκείνο που χρησιμοποιείται στην παραγωγή του Kevlar και μια ποικιλία βαφών.

Χάρη σε μια ειδική συσκευή, τα μόρια πολυπαραφαινυλενίου μπορούν ακόμη και να παράγουν ειδικές ζώνες μέσα τους οι οποίες μπορούν να εκπληρώσουν τη λειτουργία ενός κβαντικού φρεατίου κλασικής πολικότητας μέσα τους.

Έχοντας περικλείσει μια μεμβράνη πολυπαραφαινυλενίου ανάμεσα σε στρώματα ανόργανων υλικών, οι επιστήμονες βρήκαν έναν τρόπο να ελέγξουν την κατάσταση ενός κβαντικού φρεατίου αναγκάζοντας δύο διαφορετικούς τύπους λέιζερ και αναγκάζοντάς τους να εκπέμπουν φωτόνια.

Ένα πειραματικό πρωτότυπο του τρανζίστορ έδειξε την ικανότητα να καταγράφει γρήγορη μεταγωγή και ενίσχυση του φωτεινού σήματος με ελάχιστη κατανάλωση ενέργειας.

Τρία από αυτά τα τρανζίστορ έχουν ήδη επιτρέψει στους ερευνητές να συναρμολογηθούν τα πρώτα λογικά φωτιστικάαναπαραγωγή των λειτουργιών "AND" και "OR". Το αποτέλεσμα του πειράματος δείχνει ότι ο δρόμος προς τη δημιουργία ελαφρών υπολογιστών- οικονομικό, γρήγορο και συμπαγές - τελικά ανοιχτό.