Transistor ottici: il futuro dell'elettronica

Quasi tutte le tecnologie, sebbene tendano a svilupparsi, alla fine diventano obsolete. Questo modello non ha bypassato l'elettronica al silicio. È facile notare che negli ultimi anni i suoi progressi sono notevolmente rallentati e in generale hanno cambiato la direzione del suo sviluppo.

Il numero di transistor nei microchip non raddoppia più ogni due anni, come era prima. E oggi, le prestazioni del computer stanno aumentando non aumentando la frequenza operativa, ma aumentando il numero di core nel processore, ovvero espandendo le capacità per operazioni parallele.

Non è un segreto che qualsiasi computer moderno sia costruito da miliardi di piccoli transistoriche rappresentano dispositivi a semiconduttore che conducono corrente elettrica quando viene applicato un segnale di controllo.

Ma più piccolo è il transistor, più pronunciati sono gli effetti spuri e le perdite che interferiscono con il suo normale funzionamento e costituiscono un ostacolo alla creazione di dispositivi ancora più compatti e veloci.

Questi fattori determinano il limite fondamentale della miniaturizzazione delle dimensioni del transistor, quindi un transistor al silicio, in linea di principio, non può avere uno spessore superiore a cinque nanometri.

La ragione fisica sta nel fatto che gli elettroni che si muovono attraverso un semiconduttore sprecano la loro energia semplicemente perché queste particelle cariche hanno massa. E maggiore è la frequenza del dispositivo, maggiore è la perdita di energia in esso.

Con una diminuzione delle dimensioni dell'elemento, sebbene le perdite di energia sotto forma di calore possano essere ridotte, l'influenza della struttura atomica non può essere prevenuta. In pratica, la struttura atomica stessa inizia a diventare un ostacolo, poiché la dimensione dell'elemento raggiunta oggi di 10 nanometri è paragonabile in ordine di grandezza con solo un centinaio di atomi di silicio.

Gli elettroni stanno sostituendo i fotoni

Ma cosa succede se si tenta di utilizzare non corrente, ma luce? Dopotutto, i fotoni, a differenza degli elettroni, non hanno né carica, né massa a riposo, e allo stesso tempo sono le particelle più veloci. Inoltre, i loro flussi a diverse lunghezze d'onda non interferiranno tra loro durante il funzionamento sincrono.

Pertanto, con il passaggio alle tecnologie ottiche nel campo della gestione delle informazioni, si potrebbero ottenere molti vantaggi rispetto ai semiconduttori (con particelle cariche pesanti che si muovono attraverso di essi).

Le informazioni inviate per mezzo di un raggio luminoso potrebbero essere elaborate direttamente nel processo di trasmissione e le spese energetiche non sarebbero così sostanziali come quando trasmesse da una carica elettrica in movimento. E i calcoli paralleli sarebbero resi possibili dalle onde applicate di diverse lunghezze e, per il sistema ottico, nessuna interferenza elettromagnetica sarebbe fondamentalmente impavida.

Gli evidenti vantaggi del concetto ottico rispetto a quello elettrico hanno attirato a lungo l'attenzione degli scienziati. Ma oggi, l'ottica informatica rimane in gran parte ibrida, cioè combinando approcci elettronici e ottici.

A proposito Il primo prototipo di computer optoelettronico è stato creato nel 1990 da Bell Labs e nel 2003 Lenslet ha annunciato il primo processore ottico commerciale EnLight256, in grado di eseguire fino a 8.000.000.000 di operazioni su interi a 8 bit al secondo (8 teraop). Ma nonostante i passi già compiuti in questa direzione, permangono ancora delle domande nel campo dell'elettronica ottica.

Una di queste domande era la seguente. I circuiti logici implicano la risposta "1" o "0" a seconda che si siano verificati due eventi - B e A.Ma i fotoni non si notano a vicenda e la risposta del circuito dovrebbe dipendere da due fasci di luce.

La logica dei transistor, che funziona con le correnti, lo fa facilmente. E ci sono molte domande simili. Pertanto, non ci sono ancora dispositivi ottici commercialmente interessanti basati sulla logica ottica, sebbene ci siano stati alcuni sviluppi. Quindi, nel 2015, gli scienziati del laboratorio di nanofotonica e metamateriali dell'Università ITMO hanno dimostrato in un esperimento la possibilità di produrre transistor ottico ultravelocecostituito da una sola nanoparticella di silicio.

Fino ad oggi, ingegneri e scienziati di molte istituzioni stanno lavorando al problema di sostituire il silicio con alternative: ci stanno provando grafene, il disolfuro di molibdeno, stanno pensando all'utilizzo di giri di particelle e, naturalmente, alla luce, come un modo fondamentalmente nuovo di trasmettere e archiviare informazioni.

L'analogo della luce del transistor è il concetto più importante, che consiste nel fatto che è necessario un dispositivo in grado di passare selettivamente o meno i fotoni. Inoltre, è desiderabile uno splitter, che può spezzare il raggio in parti e rimuovere alcuni componenti luminosi da esso.

I prototipi esistono già, ma hanno un problema: le loro dimensioni sono gigantesche, sono più simili ai transistor della metà del secolo scorso, quando l'era dei computer era appena iniziata. Ridurre le dimensioni di tali transistor e splitter non è un compito facile.

Ostacolo fondamentale superato

E intanto All'inizio del 2019, gli scienziati del laboratorio di fotonica ibrida Skolteha, insieme ai colleghi di IBM, sono riusciti a costruire il primo transistor ottico in grado di funzionare con una frequenza di 2 THz e allo stesso tempo non richiede alcun raffreddamento a zero assoluto.

Il risultato è stato ottenuto utilizzando il sistema ottico più complesso, creato dal lungo e scrupoloso lavoro del team. E ora possiamo dire che i processori fotonici che eseguono operazioni alla velocità della luce sono, in linea di principio, reali, reali quanto la comunicazione in fibra ottica.

Il primo passo è stato fatto! È stato creato un transistor ottico in miniatura che non richiede raffreddamento ed è in grado di funzionare migliaia di volte più velocemente del suo antenato a semiconduttore elettronico.

Come notato sopra, uno dei problemi fondamentali nella creazione di elementi per computer leggeri era che i fotoni non interagiscono tra loro ed è estremamente difficile controllare il movimento delle particelle di luce. Tuttavia, gli scienziati hanno scoperto che il problema può essere risolto ricorrendo ai cosiddetti polaritoni.

polaritoni - Una delle particelle virtuali create di recente, come un fotone, e in grado di esibire le proprietà di onde e particelle. Il polaritone comprende tre componenti: un risonatore ottico, costituito da una coppia di specchi riflettori, tra i quali è imprigionata un'onda di luce, nonché un pozzo quantico. Un pozzo quantico è rappresentato da un atomo con un elettrone che ruota attorno ad esso, in grado di emettere o assorbire un quanto di luce.

Nei primi esperimenti, la polariton quasiparticella si è mostrata in tutta la sua gloria, dimostrando che può essere usata per creare transistor e altri elementi logici di computer leggeri, ma c'era un serio inconveniente: il lavoro era possibile solo a temperature ultra basse vicino allo zero assoluto.

Ma gli scienziati hanno risolto questo problema. Hanno imparato a creare polaritoni non nei semiconduttori, ma in analoghi organici dei semiconduttori, che hanno mantenuto tutte le proprietà necessarie anche a temperatura ambiente.

Per il ruolo di tale sostanza poliparafenilene - un polimero recentemente scoperto, simile a quelli utilizzati nella produzione di Kevlar e di una varietà di coloranti.

Grazie a un dispositivo speciale, le molecole di poliparapilene possono persino generare al loro interno zone speciali in grado di svolgere la funzione di un pozzo quantico di un polaritone classico al loro interno.

Avendo racchiuso un film di poliparapenilene tra strati di materiali inorganici, gli scienziati hanno trovato il modo di controllare lo stato di un pozzo quantico forzando due diversi tipi di laser e costringendoli a emettere fotoni.

Un prototipo sperimentale del transistor ha dimostrato la capacità di registrare la commutazione rapida e l'amplificazione del segnale luminoso con un consumo minimo di energia.

Tre di questi transistor hanno già permesso ai ricercatori di riunirsi primi apparecchi di illuminazione logiciriproduzione delle operazioni "AND" e "OR". Il risultato dell'esperimento suggerisce che la strada per la creazione computer leggeri- economico, veloce e compatto - finalmente aperto.