Optiset transistorit - elektroniikan tulevaisuus

Lähes kaikki tekniikat, vaikka niillä on taipumus kehittyä, lopulta vanhentuvat. Tämä kuvio ei ohittanut piielektroniikkaa. On helppo huomata, että sen eteneminen on viime vuosina hidastunut merkittävästi ja muuttanut yleisesti kehityssuuntaansa.

Mikrosirujen transistorien määrä ei enää kaksinkertaistu joka toinen vuosi, kuten se oli ennen. Ja nykyään tietokoneiden suorituskyky ei kasvaa lisäämällä niiden toimintataajuutta, vaan lisäämällä prosessorin ytimiä, ts. Laajentamalla rinnakkaisten toimintojen ominaisuuksia.

Ei ole mikään salaisuus, että kaikki nykyaikaiset tietokoneet on rakennettu miljardeista pienistä transistoritedustavat puolijohdelaitteita, jotka johtavat sähkövirtaa ohjaussignaalin ollessa kytkettynä.

Mutta mitä pienempi on transistori, sitä voimakkaammat ovat väärät vaikutukset ja vuodot, jotka häiritsevät sen normaalia toimintaa ja muodostavat esteen vielä kompaktempien ja nopeampien laitteiden luomiselle.

Nämä tekijät määräävät transistorin koon pienentämisen perusrajan, joten piitransistorin paksuus ei periaatteessa voi olla yli viisi nanometriä.

Fyysinen syy on siinä, että puolijohteen läpi liikkuvat elektronit hukkaavat energiaansa yksinkertaisesti siksi, että näillä varautuneilla hiukkasilla on massa. Ja mitä suurempi laitteen taajuus tehdään, sitä suurempi energiahäviö siitä tulee.

Elementin koon pienentyessä, vaikka energian menetyksiä lämmön muodossa voidaan vähentää, atomirakenteen vaikutusta ei voida estää. Käytännössä itse atomirakenteesta alkaa tulla este, koska tänään saavutettu 10 nanometrin alkuainekoko on vertailukelpoinen suuruusluokassa vain sadan piiatomin kanssa.

Elektronit korvaavat fotoneja

Mutta entä jos yrität käyttää nykyistä, mutta kevyttä? Loppujen lopuksi fotoneilla, toisin kuin elektroneilla, ei ole lataus- eikä lepomassaa, ja samalla ne ovat nopeimpia hiukkasia. Lisäksi niiden virtaukset eri aallonpituuksilla eivät häiritse toisiaan synkronisen toiminnan aikana.

Siten siirryttäessä optiseen tekniikkaan tiedonhallinnan alalla, voitaisiin saada monia etuja puolijohteisiin nähden (raskaiden varautuneiden hiukkasten liikkuessa niiden läpi).

Valonsäteen avulla lähetetty tieto voitaisiin käsitellä suoraan sen lähetysprosessissa, ja energiamenot eivät olisi yhtä merkittäviä kuin liikkuvalla sähkövarauksella välitettäessä. Ja rinnakkaislaskutoimitukset olisivat mahdollista soveltamalla eripituisia aaltoja, ja optiselle järjestelmälle mikään sähkömagneettinen häiriö ei olisi pohjimmiltaan peloton.

Optisen konseptin ilmeiset edut sähköiseen nähden ovat herättäneet pitkään tutkijoiden huomion. Mutta nykyään laskennallinen optiikka on edelleen suurelta osin hybridiä, ts. Yhdistämällä elektroninen ja optinen lähestymistapa.

Muuten Ensimmäisen optoelektronisen tietokoneen prototyypin loi vuonna 1990 Bell Labs, ja vuonna 2003 Lenslet julkisti ensimmäisen kaupallisen optisen prosessorin EnLight256, joka pystyy suorittamaan jopa 8 000 000 000 operaatiota 8-bittisillä kokonaislukuilla sekunnissa (8 teraopia). Mutta huolimatta tähän suuntaan jo tehdyistä askeleista, optisen elektroniikan alalla kysymykset pysyivät silti.

Yksi näistä kysymyksistä oli seuraava. Loogiset piirit merkitsevät vastausta “1” tai “0” riippuen siitä, onko tapahtunut kaksi tapahtumaa - B ja A.Mutta fotonit eivät huomaa toisiaan, ja piirin vasteen tulisi riippua kahdesta valonsäteestä.

Transistorilogiikka, joka toimii virroilla, tekee tämän helposti. Ja samanlaisia ​​kysymyksiä on paljon. Siksi ei vieläkään ole kaupallisesti houkuttelevia optiseen logiikkaan perustuvia optisia laitteita, vaikkakin joitain kehityksiä on tapahtunut. Joten vuonna 2015 ITMO-yliopiston nanofotoniikan ja metamateriaalien laboratorion tutkijat osoittivat kokeessa mahdollisuuden valmistaa erittäin nopea optinen transistorikoostuu vain yhdestä piinanohiukkasesta.

Tähän päivään mennessä monien instituutioiden insinöörit ja tutkijat pyrkivät korvaamaan piin vaihtoehdoilla: he yrittävät grafeeni, molybdeenidisulfidi, ajattelevat hiukkasten kehräysten käyttöä ja tietysti myös valoa perusteellisesti uudella tavalla tiedon siirtämisessä ja tallentamisessa.

Transistorin kevyt analogi on tärkein käsite, joka koostuu siitä, että tarvitset laitteen, joka voi selektiivisesti siirtää tai välittää fotoneja. Lisäksi halutaan halkaisija, joka voi hajottaa palkin osiin ja poistaa siitä tietyt kevyet komponentit.

Prototyyppejä on jo olemassa, mutta niillä on ongelma - niiden koot ovat jättimäisiä, ne muistuttavat enemmän transistoreita viime vuosisadan puolivälistä, jolloin tietokonekausi oli vasta alkamassa. Tällaisten transistorien ja jakajien koon pienentäminen ei ole helppo tehtävä.

Keskeinen este ylitetty

Ja sillä välin Vuoden 2019 alkupuolella Skolteha-hybridi fotoniikkalaboratorion tutkijat yhdessä IBM: n kollegoiden kanssa pystyivät rakentamaan ensimmäisen optisen transistorin, joka pystyy toimimaan 2 THz: n taajuudella. ja samalla ei vaadita mitään jäähdytystä absoluuttiseen nollaan.

Tulos saatiin käyttämällä kaikkein monimutkaisinta optista järjestelmää, joka syntyi tiimin pitkästä ahkerasta työstä. Ja nyt voidaan sanoa, että fotoniset prosessorit, jotka suorittavat valon nopeudella toimivia toimintoja, ovat periaatteessa todellisia, yhtä todellisia kuin kuituoptinen viestintä.

Ensimmäinen askel on otettu! Pienikokoinen optinen transistori, joka ei vaadi jäähdytystä ja pystyy toimimaan tuhansia kertoja nopeammin kuin sen elektroninen puolijohde-edeltäjä on luotu.

Kuten yllä todettiin, yksi perustavanlaatuisista ongelmista kevyiden tietokoneiden elementtien luomisessa oli se, että fotonit eivät ole vuorovaikutuksessa toistensa kanssa, ja on erittäin vaikea hallita valon hiukkasten liikettä. Tutkijat ovat kuitenkin havainneet, että ongelmaan voidaan puuttua turvaamalla ns. Polaritonit.

polariton - Yksi äskettäin luotuista virtuaalihiukkasista, kuten fotoni, ja joka pystyy osoittamaan aaltojen ja hiukkasten ominaisuudet. Polaritoni sisältää kolme komponenttia: optisen resonaattorin, joka koostuu parista heijastinpeileistä, joiden väliin valoaalto vangitaan, samoin kuin kvanttikuopan. Kvanttikuoppaa edustaa atomi, jonka ympäri pyörii elektroni, joka pystyy emittoimaan tai absorboimaan valokvantin.

Ensimmäisissä kokeissa kvaasiosainen polaritoni osoitti itsensä koko loistossaan osoittaen, että sitä voidaan käyttää kevyiden tietokoneiden transistorien ja muiden loogisten elementtien luomiseen, mutta siinä oli yksi vakava miinus - työ oli mahdollista vain ultravirtauslämpötiloissa lähellä absoluuttista nollaa.

Mutta tutkijat ovat ratkaisseet tämän ongelman. He oppivat luomaan polaritoneja ei puolijohteissa, vaan puolijohteiden orgaanisissa analogeissa, joilla säilytettiin kaikki tarvittavat ominaisuudet jopa huoneenlämmössä.

Tällaisen aineen roolista polyparafenyleeniä - äskettäin löydetty polymeeri, samanlainen kuin Kevlarin valmistuksessa käytetty, ja erilaisia ​​väriaineita.

Erityisen laitteen ansiosta polyparafenyleenimolekyylit voivat jopa muodostaa erityisiä vyöhykkeitä itsensä sisälle, jotka pystyvät täyttämään klassisen polaritonin kvantikaivon toiminnan itsessään.

Suljettuaan polyparafenyleenikalvon epäorgaanisten materiaalikerrosten väliin tiedemiehet ovat löytäneet tavan hallita kvanttikuopan tilaa ja pakottaa sen emittoimaan fotoneja käyttämällä kahden erityyppisen laserin vaikutusta.

Transistorin kokeellinen prototyyppi osoitti kyvyn tallentaa valosignaalin nopea kytkentä ja vahvistus minimaalisella energiankulutuksella.

Kolme näistä transistoreista on jo antanut tutkijoiden koota ensimmäiset loogiset valaisimettoistetaan toiminnot "JA" ja "TAI". Kokeen tulokset viittaavat tielle luomiseen kevyet tietokoneet- taloudellinen, nopea ja kompakti - lopulta auki.