Optische transistors - De toekomst van elektronica

Bijna alle technologieën, hoewel ze de neiging hebben zich te ontwikkelen, raken uiteindelijk verouderd. Dit patroon ging niet voorbij aan siliciumelektronica. Het is gemakkelijk op te merken dat de vooruitgang in de afgelopen jaren aanzienlijk is vertraagd en in het algemeen de richting van zijn ontwikkeling heeft veranderd.

Het aantal transistoren in microchips verdubbelt niet meer om de twee jaar, zoals voorheen. En tegenwoordig nemen de computerprestaties niet toe door hun werkfrequentie te verhogen, maar door het aantal cores in de processor te vergroten, dat wil zeggen door de mogelijkheden voor parallelle bewerkingen uit te breiden.

Het is geen geheim dat elke moderne computer is opgebouwd uit miljarden kleine transistorsrepresenterende halfgeleiderinrichtingen die elektrische stroom geleiden wanneer een regelsignaal wordt toegepast.

Maar hoe kleiner de transistor, des te meer uitgesproken zijn de nepeffecten en lekken die de normale werking verstoren en een obstakel vormen voor het creëren van nog compactere en snellere apparaten.

Deze factoren bepalen de fundamentele limiet voor de miniaturisatie van de grootte van de transistor, zodat een siliciumtransistor in principe geen dikte van meer dan vijf nanometer kan hebben.

De fysieke reden ligt in het feit dat elektronen die door een halfgeleider bewegen hun energie verspillen simpelweg omdat deze geladen deeltjes massa hebben. En hoe hoger de frequentie van het apparaat, hoe groter het energieverlies daarin wordt.

Met een afname van de grootte van het element, hoewel energieverliezen in de vorm van warmte kunnen worden verminderd, kan de invloed van de atoomstructuur niet worden voorkomen. In de praktijk begint de atomaire structuur zelf een obstakel te worden, omdat de vandaag bereikte elementgrootte van 10 nanometer vergelijkbaar is in grootte met slechts honderd siliciumatomen.

Elektronen vervangen fotonen

Maar wat als je probeert niet stroom, maar licht te gebruiken? Fotonen hebben immers, anders dan elektronen, geen lading of rustmassa en tegelijkertijd zijn ze de snelste deeltjes. Bovendien zullen hun stromen op verschillende golflengten elkaar niet storen tijdens synchrone werking.

Met de overgang naar optische technologieën op het gebied van informatiebeheer zou men dus veel voordelen kunnen krijgen ten opzichte van halfgeleiders (met zwaar geladen deeltjes die erdoorheen bewegen).

Informatie verzonden door middel van een lichtstraal kan direct worden verwerkt tijdens het overbrengen ervan, en energie-uitgaven zouden niet zo substantieel zijn als wanneer deze worden overgedragen door een bewegende elektrische lading. En parallelle berekeningen zouden mogelijk worden gemaakt door de toegepaste golven van verschillende lengtes, en voor het optische systeem zou geen elektromagnetische interferentie fundamenteel onverschrokken zijn.

De duidelijke voordelen van het optische concept ten opzichte van het elektrische hebben de aandacht van wetenschappers al lang getrokken. Maar vandaag blijft computeroptiek grotendeels hybride, dat wil zeggen, het combineren van elektronische en optische benaderingen.

Trouwens Het eerste prototype van de opto-elektronische computer werd in 1990 door Bell Labs gemaakt en in 2003 kondigde Lenslet de eerste commerciële optische processor EnLight256 aan, die tot 8.000.000.000 bewerkingen op 8-bits gehele getallen per seconde (8 teraop) kon uitvoeren. Maar ondanks de stappen die al in deze richting zijn gezet, bleven er nog vragen op het gebied van optische elektronica.

Een van deze vragen was als volgt. Logische circuits impliceren het antwoord "1" of "0" afhankelijk van of er twee gebeurtenissen hebben plaatsgevonden - B en A.Maar fotonen merken elkaar niet op en de reactie van het circuit moet afhangen van twee lichtstralen.

Transistorlogica, die werkt met stromen, doet dit gemakkelijk. En er zijn veel vergelijkbare vragen. Daarom zijn er nog steeds geen commercieel aantrekkelijke optische apparaten op basis van optische logica, hoewel er enkele ontwikkelingen zijn geweest. Dus in 2015 toonden wetenschappers van het laboratorium voor nanofotonica en metamaterialen van ITMO University in een experiment de mogelijkheid om ultrasnelle optische transistorbestaande uit slechts één silicium nanodeeltje.

Tot op de dag van vandaag werken ingenieurs en wetenschappers van veel instellingen aan het probleem van het vervangen van silicium door alternatieven: ze proberen het grafeen, molybdeendisulfide, denk erover om deeltjesspins te gebruiken en natuurlijk - over licht, als een fundamenteel nieuwe manier om informatie over te dragen en op te slaan.

De lichtanaloog van de transistor is het belangrijkste concept, dat bestaat uit het feit dat u een apparaat nodig hebt dat selectief fotonen kan passeren of niet. Bovendien is een splitter wenselijk, die de bundel in delen kan breken en bepaalde lichte componenten ervan kan verwijderen.

Er zijn al prototypes, maar ze hebben een probleem - hun afmetingen zijn gigantisch, ze lijken meer op transistors uit het midden van de vorige eeuw, toen het computertijdperk net begon. Het verkleinen van de grootte van dergelijke transistors en splitters is geen gemakkelijke taak.

Fundamentele hindernis overwonnen

En ondertussen Begin 2019 wisten wetenschappers van het hybride fotonica-laboratorium van Skolteha, samen met collega's van IBM, de eerste optische transistor te bouwen die kon werken met een frequentie van 2 THz en tegelijkertijd helemaal niet nodig om te koelen tot absoluut nul.

Het resultaat werd verkregen met behulp van het meest complexe optische systeem, dat tot stand was gekomen door het langdurige, zorgvuldige werk van het team. En nu kunnen we zeggen dat fotonische processors die bewerkingen met de snelheid van het licht uitvoeren, in principe echt zijn, net zo echt als glasvezelcommunicatie.

De eerste stap is gezet! Een miniatuur optische transistor die geen koeling vereist en in staat is duizenden malen sneller te werken dan zijn elektronische halfgeleidervoorouder is gemaakt.

Zoals hierboven opgemerkt, was een van de fundamentele problemen bij het creëren van elementen voor lichtcomputers dat fotonen geen interactie hebben met elkaar, en het is uiterst moeilijk om de beweging van lichtdeeltjes te regelen. Wetenschappers hebben echter ontdekt dat het probleem kan worden aangepakt door hun toevlucht te nemen tot de zogenaamde polaritonen.

polariton - Een van de recent gecreëerde virtuele deeltjes, zoals een foton, en in staat om de eigenschappen van golven en deeltjes te vertonen. Een polariton omvat drie componenten: een optische resonator, bestaande uit een paar reflectorspiegels, waartussen een lichtgolf gevangen zit, evenals een kwantumput. Een kwantumput wordt voorgesteld door een atoom met een elektron dat eromheen roteert en in staat is een kwantum van licht uit te stralen of te absorberen.

In de eerste experimenten toonde de quasiparticle polariton zich in al zijn glorie, waaruit blijkt dat het kan worden gebruikt om transistoren en andere logische elementen van lichtcomputers te maken, maar er was een serieus minpunt - werk was alleen mogelijk bij ultralage temperaturen in de buurt van absoluut nul.

Maar wetenschappers hebben dit probleem opgelost. Ze leerden polaritonen te maken, niet in halfgeleiders, maar in organische analogen van halfgeleiders, die zelfs bij kamertemperatuur alle noodzakelijke eigenschappen behielden.

Voor de rol van een dergelijke stof polyparafenyleen - een recent ontdekt polymeer, vergelijkbaar met die gebruikt bij de productie van Kevlar en verschillende kleurstoffen.

Dankzij een speciaal apparaat kunnen polyparaphenyleen-moleculen zelfs speciale zones in zichzelf genereren die de functie van een kwantumput van een klassieke polariton in zichzelf kunnen vervullen.

Na een film van polyparaphenyleen tussen lagen van anorganische materialen te hebben ingesloten, hebben wetenschappers een manier gevonden om de toestand van een kwantumput te beheersen door twee verschillende soorten lasers te dwingen en hen te dwingen fotonen uit te zenden.

Een experimenteel prototype van de transistor toonde de mogelijkheid om snel schakelen en versterking van het lichtsignaal met minimaal energieverbruik op te nemen.

Drie van deze transistoren hebben onderzoekers al toegestaan ​​om zich te verzamelen eerste logische verlichtingsarmaturenhet reproduceren van de bewerkingen "EN" en "OF". Het resultaat van het experiment suggereert dat de weg naar creatie lichte computers- zuinig, snel en compact - eindelijk open.