Optiniai tranzistoriai - elektronikos ateitis

Beveik visos technologijos, nors ir linkusios tobulėti, ilgainiui pasensta. Šis modelis neaplenkė silicio elektronikos. Nesunku pastebėti, kad pastaraisiais metais jos progresas pastebimai sulėtėjo ir apskritai pakeitė savo vystymosi kryptį.

Tranzistorių skaičius mikroschemose nebekartojamas dvigubai kas dvejus metus, kaip buvo anksčiau. Ir šiandien kompiuterio našumas didėja ne didinant jų veikimo dažnį, bet didinant procesoriaus branduolių skaičių, tai yra plečiant lygiagrečių operacijų galimybes.

Ne paslaptis, kad bet koks šiuolaikinis kompiuteris yra pastatytas iš milijardų mažų tranzistoriaiatstovaujantys puslaidininkinius įtaisus, kurie veda elektros srovę, kai įjungiamas valdymo signalas.

Tačiau kuo mažesnis tranzistorius, tuo ryškesni yra apgaulingi padariniai ir nuotėkiai, trukdantys normaliam jo darbui, ir kliūtis kurti dar kompaktiškesnius ir greitesnius įrenginius.

Šie veiksniai lemia pagrindinę tranzistoriaus miniatiūrizacijos ribą, taigi silicio tranzistoriaus storis iš principo negali būti didesnis nei penki nanometrai.

Fizinė priežastis slypi tame, kad elektronai, judantys per puslaidininkį, eikvoja savo energiją vien todėl, kad šios įkrautos dalelės turi masę. Ir kuo didesnis prietaiso dažnis, tuo didesni jo energijos nuostoliai.

Sumažėjus elemento dydžiui, nors energijos nuostoliai šilumos pavidalu gali būti sumažinti, atominės struktūros įtakos negalima išvengti. Praktiškai kliūtimi tampa pati atominė struktūra, nes šiandien pasiektas 10 nanometrų elementų dydis yra panašus pagal dydį tik su šimtu silicio atomų.

Elektronai keičia fotonus

O kas, jei bandysite naudoti ne srovę, o šviesą? Galų gale, fotonai, skirtingai nei elektronai, neturi nei krūvio, nei ramybės masės, ir tuo pačiu metu jie yra greičiausios dalelės. Be to, jų srautai skirtingu bangos ilgiu netrukdys vienas kitam sinchroninio darbo metu.

Taigi, pereinant prie optinių technologijų informacijos valdymo srityje, galima būtų įgyti daug pranašumų, palyginti su puslaidininkiais (kai pro juos juda sunkiai įkrautos dalelės).

Šviesos spinduliuotės siunčiama informacija galėtų būti apdorojama tiesiogiai perduodant ją, o energijos sąnaudos nebūtų tokios didelės, kaip perduodant judančiu elektros krūviu. Lygiagrečius skaičiavimus leistų atlikti skirtingo ilgio bangos, o optinėje sistemoje jokie elektromagnetiniai trukdžiai būtų be baimės.

Akivaizdūs optinės koncepcijos pranašumai prieš elektrinę jau seniai patraukė mokslininkų dėmesį. Tačiau šiandien skaičiavimo optika išlieka hibridinė, tai yra, derinant elektroninius ir optinius metodus.

Beje Pirmąjį optoelektroninio kompiuterio prototipą 1990 m. Sukūrė „Bell Labs“, o 2003 m. „Lenslet“ paskelbė apie pirmąjį komercinį optinį procesorių „EnLight256“, galintį atlikti iki 8 000 000 000 operacijų 8 bitų skaičiais per sekundę (8 teraopai). Nepaisant žingsnių, kurių jau buvo imtasi šia linkme, optinės elektronikos srityje vis tiek liko klausimų.

Vienas iš šių klausimų buvo toks. Loginės schemos reiškia atsakymą „1“ arba „0“, atsižvelgiant į tai, ar įvyko du įvykiai - B ir A.Bet fotonai vienas kito nepastebi, o grandinės atsakas turėtų priklausyti nuo dviejų šviesos spindulių.

Tranzistoriaus logika, veikianti srovėmis, lengvai tai daro. Ir daug panašių klausimų. Todėl vis dar nėra komerciškai patrauklių optinių prietaisų, pagrįstų optinėmis logikomis, nors tam tikrų pokyčių ir buvo. Taigi, 2015 m. ITMO universiteto nanofotonikos ir metamaterialų laboratorijos mokslininkai eksperimente parodė galimybę gaminti ypač greitas optinis tranzistoriussudarytas tik iš vienos silicio nanodalelės.

Iki šiol daugelio institucijų inžinieriai ir mokslininkai dirba siekdami pakeisti silicį alternatyvomis: jie bando grafenas, molibdeno disulfidas, pagalvokite apie dalelių sukinių naudojimą ir, žinoma, apie šviesą, kaip iš esmės naują informacijos perdavimo ir saugojimo būdą.

Šviesos tranzistoriaus analogas yra pati svarbiausia sąvoka, susidedanti iš to, kad jums reikia įrenginio, galinčio selektyviai praleisti ar nepraleisti fotonus. Be to, pageidautina, kad būtų galima padalinti skirstytuvą, kuris gali suskaidyti pluoštą į dalis ir pašalinti iš jo tam tikrus šviesos komponentus.

Jau yra prototipai, tačiau jie turi problemą - jų dydžiai yra milžiniški, jie labiau primena tranzistorius nuo praėjusio amžiaus vidurio, kai dar tik prasidėjo kompiuterių amžius. Sumažinti tokių tranzistorių ir daliklių dydį nėra lengva užduotis.

Pagrindinė kliūtis įveikta

Ir tuo tarpu 2019 m. Pradžioje „Skolteha“ hibridinės fotonikos laboratorijos mokslininkams kartu su kolegomis iš IBM vis dar pavyko sukurti pirmąjį optinį tranzistorių, galintį veikti 2 THz dažniu. ir tuo pat metu nereikalauja aušinimo iki absoliutaus nulio.

Rezultatas buvo gautas naudojant pačią sudėtingiausią optinę sistemą, kurią sukūrė ilgas kruopštus komandos darbas. Ir dabar galime pasakyti, kad fotoniniai procesoriai, atliekantys operacijas šviesos greičiu, iš principo yra realūs, tokie patys, kaip ir šviesolaidiniai ryšiai.

Žengtas pirmasis žingsnis! Miniatiūrinis optinis tranzistorius, kuriam nereikia aušinimo ir kuris gali dirbti tūkstančius kartų greičiau, nei buvo sukurtas jo elektroninis puslaidininkių protėvis.

Kaip minėta aukščiau, viena iš esminių problemų kuriant elementus lengviesiems kompiuteriams buvo ta, kad fotonai nesąveikauja tarpusavyje, ir ypač sunku valdyti šviesos dalelių judėjimą. Tačiau mokslininkai nustatė, kad šią problemą galima išspręsti pasinaudojant vadinamaisiais polaritonais.

Polaritonas - Viena iš neseniai sukurtų virtualių dalelių, kaip fotonas, galinti parodyti bangų ir dalelių savybes. Polaritoną sudaro trys komponentai: optinis rezonatorius, sudarytas iš atspindinčių veidrodžių poros, tarp kurių yra įkalinta šviesos banga, ir kvantinis šulinys. Kvantinį šulinį vaizduoja atomas, sukasi aplink jį elektroną, galintį skleisti ar absorbuoti šviesos kvantą.

Pirmuosiuose eksperimentuose keturkampis polaritonas parodė visą savo šlovę, parodydamas, kad jis gali būti naudojamas kuriant tranzistorius ir kitus šviesos kompiuterių loginius elementus, tačiau buvo vienas rimtas minusas - darbas buvo įmanomas tik esant labai žemai temperatūrai, esančiai prie absoliutaus nulio.

Tačiau mokslininkai išsprendė šią problemą. Jie išmoko kurti polaritonus ne puslaidininkiuose, o organiniuose puslaidininkių analoguose, kurie išsaugojo visas reikiamas savybes net kambario temperatūroje.

Už tokios medžiagos vaidmenį poliparafenilenas - neseniai atrastas polimeras, panašus į tuos, kurie naudojami gaminant Kevlar, ir įvairūs dažai.

Dėka specialaus prietaiso, poliparafenileno molekulės gali net sukurti specialias zonas savo viduje, kurios gali atlikti klasikinio polaritono kvantinio šulinio funkciją savyje.

Uždengę poliparafenileno plėvelę tarp neorganinių medžiagų sluoksnių, mokslininkai rado būdą kontroliuoti kvantinio šulinio būklę, priversdami du skirtingus lazerių tipus ir priversdami juos skleisti fotonus.

Eksperimentinis tranzistoriaus prototipas pademonstravo galimybę fiksuoti greitą šviesos signalo perjungimą ir stiprinimą, naudojant minimalias energijos sąnaudas.

Trys iš šių tranzistorių jau leido tyrėjams surinkti pirmieji loginiai šviestuvaiatkuriant operacijas „IR“ ir „ARBA“. Eksperimento rezultatas rodo, kad kelias į kūrybą lengvieji kompiuteriai- ekonomiškas, greitas ir kompaktiškas - pagaliau atidarytas.