Optički tranzistori - budućnost elektronike

Gotovo sve tehnologije, iako imaju tendenciju razvoja, na kraju postaju zastarjele. Ovaj obrazac nije zaobišao silicijsku elektroniku. Lako je primijetiti da je posljednjih godina njegov napredak znatno usporio i općenito promijenio smjer svog razvoja.

Broj tranzistora u mikročipovima više se ne udvostručuje svake dvije godine, kao što je to bio slučaj prije. I danas se performanse računala povećavaju ne povećanjem njihove radne frekvencije, već povećanjem broja jezgara u procesoru, odnosno proširivanjem mogućnosti za paralelne operacije.

Nije tajna da je bilo koje suvremeno računalo izgrađeno od milijardi malih tranzistorikoji predstavljaju poluvodičke uređaje koji provode električnu struju kada se primjenjuje kontrolni signal.

Ali što je tranzistor manji, to su izraženiji lažni efekti i curenja koja ometaju njegov normalan rad i predstavljaju prepreku stvaranju još kompaktnijih i bržih uređaja.

Ti čimbenici određuju temeljno ograničenje minijaturizacije veličine tranzistora, tako da silikonski tranzistor, u principu, ne može imati debljinu veću od pet nanometara.

Fizički razlog leži u činjenici da elektroni koji se kreću kroz poluvodič troše svoju energiju samo zato što te nabijene čestice imaju masu. I što je veća frekvencija uređaja, to veći gubitak energije postaje u njoj.

S smanjenjem veličine elementa, iako se gubici energije u obliku topline mogu smanjiti, utjecaj strukture atoma ne može se spriječiti. U praksi sama atomska struktura počinje postati prepreka jer je veličina elemenata postignuta do danas od 10 nanometara usporediva po redoslijedu sa samo stotinu atoma silicija.

Elektroni zamjenjuju fotone

Ali što ako pokušate koristiti ne struju, već svjetlost? Uostalom, fotoni, za razliku od elektrona, nemaju masu naboja niti mirovanja, a istovremeno su najbrže čestice. Štoviše, njihovi tokovi različitih valnih duljina neće ometati jedni druge tijekom sinkronog rada.

Tako bi s prelaskom na optičke tehnologije u području upravljanja informacijama moglo doći do mnogih prednosti u odnosu na poluvodiče (s njima se kreću teške nabijene čestice).

Informacije poslane svjetlosnim snopom mogu se obrađivati ​​izravno u procesu prijenosa, a energetski rashodi ne bi bili toliko značajni kao kada bi se prenosili pokretnim električnim nabojem. A paralelni proračuni omogućili bi se primijenjenim valovima različitih duljina, a za optički sustav nijedna elektromagnetska interferencija ne bi bila u osnovi neustrašiva.

Očigledne prednosti optičkog koncepta nad električnim dugo su privlačile pažnju znanstvenika. Ali danas, računalna optika ostaje u velikoj mjeri hibridna, tj. Kombinirajući elektronički i optički pristup.

Usput Prvo prototipno optoelektroničko računalo stvorio je 1990. godine Bell Labs, a 2003. Lenslet je najavio prvi komercijalni optički procesor EnLight256, sposoban za obavljanje do 8.000.000.000 operacija na 8-bitnim cijelim brojevima u sekundi (8 teraop). No usprkos već poduzetim koracima u tom smjeru, pitanja su i dalje ostala na području optičke elektronike.

Jedno od tih pitanja bilo je sljedeće. Logički sklopovi podrazumijevaju odgovor "1" ili "0", ovisno o tome jesu li se dogodila dva događaja - B i A.Ali fotoni se međusobno ne primjećuju, a odziv kruga trebao bi ovisiti o dvije svjetlosne zrake.

Logika tranzistora, koja djeluje strujama, to jednostavno čini. I ima puno sličnih pitanja. Stoga još uvijek ne postoje komercijalno atraktivni optički uređaji temeljeni na optičkoj logici, iako je došlo do određenog razvoja. Tako su 2015. godine znanstvenici iz laboratorija nanofotonike i metamaterijala Sveučilišta ITMO u eksperimentu pokazali mogućnost proizvodnje ultrabrzi optički tranzistorkoji se sastoji od samo jednog nanočestica silicija.

Do danas, inženjeri i znanstvenici mnogih institucija rade na problemu zamjene silicija alternativama: oni pokušavaju grafenMolibden disulfid, razmišljaju o korištenju spinova čestica i, naravno, o svjetlosti, kao temeljno novom načinu prijenosa i pohrane podataka.

Analog svjetlosti tranzistora najvažniji je koncept koji se sastoji u činjenici da vam je potreban uređaj koji može selektivno prolaziti ili ne proći fotone. Osim toga, poželjan je razdjelnik, koji može slomiti snop na dijelove i ukloniti određene svjetlosne komponente iz njega.

Prototipovi već postoje, ali imaju problem - njihove veličine su ogromne, više su nalik tranzistorima iz sredine prošlog stoljeća, kada je doba računala tek započelo. Smanjenje veličine takvih tranzistora i razdjelnika nije lak zadatak.

Temeljna prepreka prevladava

I u međuvremenu Početkom 2019. znanstvenici iz hibridnog laboratorija fotonike Skolteha zajedno s kolegama iz IBM-a ipak su uspjeli izgraditi prvi optički tranzistor koji može raditi na frekvenciji od 2 THz a istodobno ne zahtijevaju nikakvo hlađenje do apsolutne nule.

Rezultat je dobiven korištenjem najsloženijeg optičkog sustava, koji je nastao dugim mukotrpnim radom tima. I sada možemo reći da su fotonski procesori koji izvode operacije brzinom svjetlosti u principu stvarni, stvarni poput optičke komunikacije.

Prvi korak je napravljen! Stvoren je minijaturni optički tranzistor koji ne zahtijeva hlađenje i sposoban je raditi tisućama puta brže nego što je to stvorio njegov predak elektronički poluvodič.

Kao što je gore spomenuto, jedan od temeljnih problema u stvaranju elemenata za svjetlosna računala bio je taj što fotoni ne djeluju međusobno i izuzetno je teško kontrolirati kretanje čestica svjetlosti. Međutim, znanstvenici su otkrili da se problem može riješiti pribjegavanjem takozvanim polaritonima.

polariton - Jedna od nedavno stvorenih virtualnih čestica, poput fotona, koja može pokazati svojstva valova i čestica. Polariton uključuje tri komponente: optički rezonator, koji se sastoji od para ogledala između kojih je zarobljen svjetlosni val, kao i kvantne jažice. Kvantna jažica predstavljena je atomom koji se oko nje okreće s pomoću elektrona koji može emitirati ili apsorbirati kvant svjetlosti.

U prvim se eksperimentima polariton kvazičestica pokazao u svom sjaju, pokazujući da se može koristiti za stvaranje tranzistora i drugih logičkih elemenata svjetlosnih računala, ali postojao je jedan ozbiljan minus - rad je bio moguć samo pri pretjerano niskim temperaturama blizu apsolutne nule.

Ali znanstvenici su riješili taj problem. Naučili su kako stvoriti polaritone ne u poluvodičima, već u organskim analogima poluvodiča, koji su zadržali sva potrebna svojstva čak i na sobnoj temperaturi.

Za ulogu takve tvari polyparaphenylene - nedavno otkriveni polimer, sličan onima koji se koriste u proizvodnji Kevlara i raznih boja.

Zahvaljujući posebnom uređaju, molekule poliparafenilena mogu čak stvoriti posebne zone unutar sebe koje mogu ispuniti funkciju kvantne jažice klasičnog polaritona u sebi.

Znanstvenici su zaključili film poliparapfenilena između slojeva anorganskih materijala kako bi kontrolirali stanje kvantne jažice i prisilili je da emitira fotone pomoću laserskog djelovanja dviju različitih vrsta.

Eksperimentalni prototip tranzistora pokazao je sposobnost snimanja brzog prebacivanja i pojačanja svjetlosnog signala uz minimalnu potrošnju energije.

Tri od tih tranzistora već su omogućila istraživačima da se sastave prva logička rasvjetna tijelareproduciranje operacija "I" i "ILI". Rezultat pokusa sugerira da je put stvaranja svjetla računala- ekonomičan, brz i kompaktan - napokon otvoren.