Optikai tranzisztorok - az elektronika jövője

Szinte minden technológia, bár hajlamosak fejleszteni, végül elavulttá válik. Ez a minta nem kerülte meg a szilícium elektronikát. Könnyű észrevenni, hogy az utóbbi években haladása jelentősen lelassult, és általában megváltoztatta fejlődésének irányát.

A mikrochipben lévő tranzisztorok száma már nem duplázódik meg kétévente, mint korábban. És ma a számítógép teljesítménye nem azáltal, hogy növeli működési gyakoriságukat, hanem a processzorban lévő magok számának növelésével, azaz a párhuzamos műveletek képességeinek bővítésével.

Nem titok, hogy minden modern számítógépet milliárdokból építenek tranzisztorokfélvezető készülékek képviselői, amelyek vezérlőjel alkalmazásakor vezetnek elektromos áramot.

De minél kisebb a tranzisztor, annál hangsúlyosabb a hamis hatások és szivárgások, amelyek megzavarják a normál működését, és akadályt jelentenek a még kompaktabb és gyorsabb eszközök létrehozásában.

Ezek a tényezők határozzák meg a tranzisztor méretének miniatürizálásának alapvető korlátait, tehát a szilícium-tranzisztor elvileg nem lehet öt nanométernél nagyobb vastagságú.

A fizikai ok abban rejlik, hogy a félvezetőn áthaladó elektronok csak azért veszítik el energiájukat, mert ezeknek a töltött részecskéknek tömege van. És minél nagyobb az eszköz frekvenciája, annál nagyobb az energiaveszteség.

Az elem méretének csökkenésével, bár az energiaveszteségek hő formájában csökkenthetők, az atomszerkezet befolyását nem lehet megakadályozni. A gyakorlatban maga az atomstruktúra akadályt jelent, mivel a mai 10 nanométeres elemméret nagyságrendben összehasonlítható mindössze száz szilíciumatommal.

Az elektronokat fotonok helyettesítik

De mi van, ha nem aktuális, hanem fényt próbál használni? Végül is, a fotonok - az elektronokkal ellentétben - sem töltő, sem nyugalmi tömeggel rendelkeznek, ugyanakkor a leggyorsabbak a részecskék. Ráadásul a különböző hullámhosszú áramlások nem zavarják egymást a szinkron működés során.

Így az információkezelés területén az optikai technológiákra való áttéréssel sok előnyt szerezhetnek a félvezetőkkel szemben (ha nehéz töltésű részecskék mozognak rajtuk keresztül).

A fénysugár révén küldött információ közvetlenül továbbítható az átvitel folyamatában, és az energiaköltségek nem lennének olyan jelentősek, mint amikor mozgó elektromos töltéssel továbbítják őket. És párhuzamos számításokat tesz lehetővé a különböző hosszúságú alkalmazott hullámok, és az optikai rendszer számára alapvetően félelem nélkül lennének az elektromágneses zavarok.

Az optikai koncepció nyilvánvaló előnyei az elektromos szempontokkal szemben régóta felhívták a tudósok figyelmét. De ma az optikai számítástechnika továbbra is nagyrészt hibrid, azaz az elektronikus és az optikai megközelítések ötvözése.

Mellesleg Az első optoelektronikus számítógép prototípusa 1990-ben alakult ki a Bell Labs által, és 2003-ban a Lenslet bejelentette az első kereskedelmi optikai processzort, az EnLight256-t, amely akár 8 000 000 000 műveletet képes végrehajtani másodperces 8 bites egész számokon (8 teraop). De az ebben az irányban már megtett lépések ellenére az optikai elektronika területén továbbra is kérdés maradt.

E kérdések egyike a következő volt. A logikai áramkörök „1” vagy „0” választ jelentenek, attól függően, hogy két esemény történt - B és A.A fotonok azonban nem veszik észre egymást, és az áramkör válaszának két fénynyalábtól kell függnie.

Az áramokkal működő tranzisztor logika ezt könnyen megteszi. És nagyon sok hasonló kérdés felmerül. Ezért még mindig nincs kereskedelmileg vonzó optikai eszköz, amely optikai logikán alapul, bár vannak fejlesztések. Tehát 2015-ben az ITMO Egyetem nanofotonikai és anyagcsere-laboratóriumának tudósai egy kísérletben bizonyították a gyártás lehetőségét ultragyors optikai tranzisztorcsak egy szilícium nanorészecskéből áll.

A mai napig sok intézmény mérnökei és tudósai azon dolgoznak, hogy a szilíciumot alternatívákkal cseréljék: megpróbálják grafén, molibdén-diszulfid, gondoljon a részecske-centrifugák és természetesen a fényről, mint alapvetően új módszerről az információk továbbítására és tárolására.

A tranzisztor könnyű analógja a legfontosabb fogalom, amely abban áll, hogy olyan eszközre van szüksége, amely szelektíven átjuttatja vagy nem adja át a fotonokat. Ezenkívül kívánatos egy elosztó, amely a gerendát részekre bonthatja, és bizonyos könnyű alkatrészeket eltávolíthat belőle.

Már vannak prototípusok, de van egy probléma - méretük óriási, inkább a múlt század közepétől, amikor a számítógépes korszak még csak a kezdetben volt, tranzisztorokra hasonlít. Az ilyen tranzisztorok és osztók méretének csökkentése nem könnyű feladat.

Alapvető akadály leküzdése

És közben 2019 elején a Skolteha hibrid fotonikai laboratórium tudósai, az IBM kollégáival együtt, még mindig sikerült elkészíteni az első optikai tranzisztort, amely képes 2 THz frekvencián működni. és ugyanakkor egyáltalán nem kell hűteni az abszolút nullára.

Az eredményt a legbonyolultabb optikai rendszer alkalmazásával kaptuk, amelyet a csapat hosszú és szorgalmas munkája hozott létre. És most elmondhatjuk, hogy a fénysebességgel műveleteket végrehajtó fotonikus processzorok elvileg valósak, ugyanolyan valósak, mint a száloptikai kommunikáció.

Az első lépés megtörtént! Egy miniatűr optikai tranzisztor, amely nem igényel hűtést, és több ezerszer gyorsabban képes dolgozni, mint az elektronikus félvezető őse.

Mint fentebb megjegyeztük, a könnyű számítógépek elemeinek létrehozásában az egyik alapvető probléma az volt, hogy a fotonok nem lépnek kölcsönhatásba egymással, és rendkívül nehéz a fényrészecskék mozgásának ellenőrzése. A tudósok azonban úgy találták, hogy a problémát úgynevezett polaritonok felhasználásával lehet megoldani.

polariton - Az egyik a közelmúltban létrehozott virtuális részecske, mint egy foton, amely képes mutatni a hullámok és a részecskék tulajdonságait. A polariton három összetevőből áll: egy optikai rezonátorból, amely pár reflektor tükrből áll, amelyek között egy fényhullám van bebörtönözve, valamint egy kvantitatív kútból. A kvantumüreg egy atom által ábrázolt körülötte forgó elektronnal, amely képes egy kvantum fény kibocsátására vagy elnyelésére.

Az első kísérletekben a négyrészes polariton teljes dicsőségében megmutatta magát, megmutatva, hogy felhasználható tranzisztorok és könnyű számítógépek más logikai elemeinek létrehozására, de volt egy komoly mínusz - a munka csak ultrahang hőmérsékleten volt lehetséges az abszolút nulla közelében.

De a tudósok megoldották ezt a problémát. Megtanultak polaritonok készítésére nem a félvezetőkben, hanem a félvezetők szerves analógjaiban, amelyek szobahőmérsékleten is megtartják az összes szükséges tulajdonságot.

Az ilyen anyag szerepe polyparaphenylene - egy nemrégiben felfedezett polimer, hasonló a Kevlar gyártásához használt polimerhez és különféle festékekhez.

Egy speciális eszköznek köszönhetően a poliparafenilén molekulák olyan speciális zónákat képesek létrehozni magukban is, amelyek magukban tudják betölteni a klasszikus polariton kvantum kútját.

Miután a szervetlen anyagrétegek közé bezárták a poliparafenilén fóliát, a tudósok megtaláltak egy módszert a kvantum kút állapotának szabályozására, kétféle lézerfajtát kényszerítve és fotonok kibocsátására kényszerítve.

A tranzisztor kísérleti prototípusa bizonyította a fényjel gyors kapcsolásának és erősítésének minimális energiafogyasztással történő rögzítésének képességét.

Ezen tranzisztorok közül három már lehetővé tette a kutatók számára az összeszerelést első logikai világítótestekaz "ÉS" és "VAGY" műveletek reprodukálása. A kísérlet eredménye azt sugallja, hogy a teremtés felé vezet könnyű számítógépek- gazdaságos, gyors és kompakt - végre nyitva.