Transistores ópticos: el futuro de la electrónica

Casi todas las tecnologías, aunque tienden a desarrollarse, eventualmente se vuelven obsoletas. Este patrón no omitió la electrónica de silicio. Es fácil notar que en los últimos años su progreso se ha ralentizado significativamente y, en general, ha cambiado la dirección de su desarrollo.

El número de transistores en microchips ya no se duplica cada dos años, como era antes. Y hoy en día, el rendimiento de la computadora no aumenta al aumentar su frecuencia de operación, sino al aumentar el número de núcleos en el procesador, es decir, al expandir las capacidades para operaciones paralelas.

No es ningún secreto que cualquier computadora moderna está construida con miles de millones de pequeños transistoresrepresentando dispositivos semiconductores que conducen corriente eléctrica cuando se aplica una señal de control.

Pero cuanto más pequeño es el transistor, más pronunciados son los efectos espurios y las fugas que interfieren con su funcionamiento normal y constituyen un obstáculo para crear dispositivos aún más compactos y rápidos.

Estos factores determinan el límite fundamental para la miniaturización del tamaño del transistor, por lo que un transistor de silicio, en principio, no puede tener un espesor de más de cinco nanómetros.

La razón física radica en el hecho de que los electrones que se mueven a través de un semiconductor desperdician su energía simplemente porque estas partículas cargadas tienen masa. Y cuanto mayor sea la frecuencia del dispositivo, mayor será la pérdida de energía en él.

Con una disminución en el tamaño del elemento, aunque las pérdidas de energía en forma de calor se pueden reducir, la influencia de la estructura atómica no se puede prevenir. En la práctica, la estructura atómica en sí misma comienza a convertirse en un obstáculo, ya que el tamaño del elemento alcanzado hoy en día de 10 nanómetros es comparable en orden de magnitud con solo cien átomos de silicio.

Los electrones están reemplazando a los fotones.

Pero, ¿qué pasa si intentas usar no corriente, sino luz? Después de todo, los fotones, a diferencia de los electrones, no tienen ni carga ni masa en reposo, y al mismo tiempo son las partículas más rápidas. Además, sus flujos a diferentes longitudes de onda no interferirán entre sí durante la operación síncrona.

Por lo tanto, con la transición a las tecnologías ópticas en el campo de la gestión de la información, uno podría obtener muchas ventajas sobre los semiconductores (con partículas cargadas pesadas que se mueven a través de ellos).

La información enviada por medio de un haz de luz podría procesarse directamente en el proceso de su transmisión, y los gastos de energía no serían tan importantes como cuando se transmiten por una carga eléctrica en movimiento. Y los cálculos paralelos serían posibles gracias a las ondas aplicadas de diferentes longitudes, y para el sistema óptico, ninguna interferencia electromagnética sería fundamentalmente intrépida.

Las ventajas obvias del concepto óptico sobre el eléctrico han atraído durante mucho tiempo la atención de los científicos. Pero hoy, la óptica informática sigue siendo en gran medida híbrida, es decir, combinando enfoques electrónicos y ópticos.

Por cierto El primer prototipo de computadora optoelectrónica fue creado en 1990 por Bell Labs, y en 2003, Lenslet anunció el primer procesador óptico comercial EnLight256, capaz de realizar hasta 8,000,000,000 de operaciones en enteros de 8 bits por segundo (8 teraop). Pero a pesar de los pasos ya dados en esta dirección, las preguntas aún permanecían en el campo de la electrónica óptica.

Una de estas preguntas fue la siguiente. Los circuitos lógicos implican la respuesta "1" o "0" dependiendo de si se han producido dos eventos: B y A.Pero los fotones no se notan entre sí, y la respuesta del circuito debe depender de dos haces de luz.

La lógica del transistor, que opera con corrientes, hace esto fácilmente. Y hay muchas preguntas similares. Por lo tanto, todavía no hay dispositivos ópticos comercialmente atractivos basados ​​en lógica óptica, aunque ha habido algunos desarrollos. Entonces, en 2015, científicos del laboratorio de nanofotónica y metamateriales de la Universidad ITMO demostraron en un experimento la posibilidad de fabricar transistor óptico ultrarrápidoque consiste en una sola nanopartícula de silicio.

Hasta el día de hoy, ingenieros y científicos de muchas instituciones están trabajando en el problema de reemplazar el silicio por alternativas: están intentando grafeno, el disulfuro de molibdeno, están pensando en usar giros de partículas y, por supuesto, en la luz, como una forma fundamentalmente nueva de transmitir y almacenar información.

El análogo de luz del transistor es el concepto más importante, que consiste en el hecho de que necesita un dispositivo que pueda pasar selectivamente o no a los fotones. Además, es deseable un divisor, que puede dividir el haz en partes y eliminar ciertos componentes de la luz.

Los prototipos ya existen, pero tienen un problema: sus tamaños son gigantescos, se parecen más a los transistores de mediados del siglo pasado, cuando la era de las computadoras apenas comenzaba. Reducir el tamaño de tales transistores y divisores no es una tarea fácil.

Obstáculo fundamental superado

Y mientras tanto A principios de 2019, los científicos del laboratorio de fotónica híbrida Skolteha, junto con colegas de IBM, lograron construir el primer transistor óptico capaz de operar a una frecuencia de 2 THz y al mismo tiempo no requiere enfriamiento a cero absoluto.

El resultado se obtuvo utilizando el sistema óptico más complejo, que fue creado por el largo trabajo minucioso del equipo. Y ahora podemos decir que los procesadores fotónicos que realizan operaciones a la velocidad de la luz son, en principio, tan reales como la comunicación por fibra óptica.

¡Se ha dado el primer paso! Un transistor óptico en miniatura que no requiere enfriamiento y puede funcionar miles de veces más rápido que su antecesor electrónico de semiconductores.

Como se señaló anteriormente, uno de los problemas fundamentales en la creación de elementos para computadoras con luz fue que los fotones no interactúan entre sí, y es extremadamente difícil controlar el movimiento de las partículas de luz. Sin embargo, los científicos han descubierto que el problema puede abordarse recurriendo a los llamados polaritones.

Polariton - Una de las partículas virtuales creadas recientemente, como un fotón, y capaz de exhibir las propiedades de ondas y partículas. El polaritón incluye tres componentes: un resonador óptico, que consiste en un par de espejos reflectores, entre los cuales se aprisiona una onda de luz, así como un pozo cuántico. Un pozo cuántico está representado por un átomo con un electrón que gira a su alrededor, capaz de emitir o absorber un cuanto de luz.

En los primeros experimentos, el polaritón de cuasipartícula se mostró en todo su esplendor, lo que demuestra que se puede usar para crear transistores y otros elementos lógicos de las computadoras ligeras, pero hubo un inconveniente grave: el trabajo solo era posible a temperaturas ultrabajas cercanas al cero absoluto.

Pero los científicos han resuelto este problema. Aprendieron a crear polaritones no en semiconductores, sino en análogos orgánicos de semiconductores, que conservaban todas las propiedades necesarias incluso a temperatura ambiente.

Por el papel de tal sustancia polyparaphenylene - un polímero recientemente descubierto, similar a los utilizados en la producción de Kevlar y una variedad de tintes.

Gracias a un dispositivo especial, las moléculas de poliparafenileno pueden incluso generar zonas especiales dentro de sí mismas que pueden cumplir la función de un pozo cuántico de un polaritón clásico dentro de sí mismas.

Después de encerrar una película de poliparafenileno entre capas de materiales inorgánicos, los científicos han encontrado una forma de controlar el estado de un pozo cuántico al forzar dos tipos diferentes de láser y hacer que emita fotones.

Un prototipo experimental del transistor demostró la capacidad de registrar una conmutación y amplificación rápidas de la señal de luz con un consumo mínimo de energía.

Tres de estos transistores ya han permitido a los investigadores ensamblar primeras luminarias lógicasreproduciendo las operaciones "Y" y "O". El resultado del experimento sugiere que el camino hacia la creación. computadoras ligeras- económico, rápido y compacto - finalmente abierto.