Tranzystory optyczne - przyszłość elektroniki

Prawie wszystkie technologie, choć mają tendencję do rozwoju, ostatecznie stają się przestarzałe. Ten wzór nie ominął elektroniki krzemowej. Łatwo zauważyć, że w ostatnich latach jego postęp znacznie się spowolnił i ogólnie zmienił kierunek rozwoju.

Liczba tranzystorów w mikroczipach nie podwaja się już co dwa lata, jak to było wcześniej. A dzisiaj wydajność komputera rośnie nie poprzez zwiększenie częstotliwości pracy, ale przez zwiększenie liczby rdzeni procesora, czyli poprzez rozszerzenie możliwości operacji równoległych.

Nie jest tajemnicą, że każdy nowoczesny komputer jest zbudowany z miliardów małych tranzystoryreprezentujących urządzenia półprzewodnikowe, które przewodzą prąd elektryczny, gdy przykładany jest sygnał sterujący.

Ale im mniejszy jest tranzystor, tym wyraźniejsze są niepożądane efekty i wycieki, które zakłócają jego normalne działanie i stanowią przeszkodę w tworzeniu jeszcze bardziej zwartych i szybszych urządzeń.

Czynniki te określają podstawową granicę miniaturyzacji wielkości tranzystora, więc tranzystor krzemowy w zasadzie nie może mieć grubości większej niż pięć nanometrów.

Fizyczny powód polega na tym, że elektrony poruszające się przez półprzewodnik marnują energię po prostu dlatego, że te naładowane cząstki mają masę. Im wyższa częstotliwość urządzenia, tym większa jest utrata energii.

Wraz ze zmniejszeniem wielkości elementu, chociaż można zmniejszyć straty energii w postaci ciepła, nie można zapobiec wpływowi struktury atomowej. W praktyce sama struktura atomowa zaczyna stać się przeszkodą, ponieważ osiągnięty do dziś rozmiar 10 nanometrów jest porównywalny pod względem wielkości z zaledwie stoma atomami krzemu.

Elektrony zastępują fotony

Ale co, jeśli spróbujesz użyć nie prądu, ale światła? W końcu fotony, w przeciwieństwie do elektronów, nie mają ani ładunku ani masy spoczynkowej, a jednocześnie są najszybszymi cząsteczkami. Co więcej, ich przepływy o różnych długościach fal nie będą ze sobą zakłócać podczas pracy synchronicznej.

Tak więc, dzięki przejściu na technologie optyczne w dziedzinie zarządzania informacjami, można uzyskać wiele korzyści w porównaniu z półprzewodnikami (z przepływającymi przez nie ciężko naładowanymi cząsteczkami).

Informacje przesyłane za pomocą wiązki światła mogłyby być przetwarzane bezpośrednio w procesie ich przesyłania, a wydatki na energię nie byłyby tak znaczące, jak w przypadku przesyłania przez poruszający się ładunek elektryczny. Równoległe obliczenia byłyby możliwe dzięki zastosowanym falom o różnych długościach, a dla układu optycznego żadna interferencja elektromagnetyczna nie byłaby zasadniczo nieustraszona.

Oczywiste zalety koncepcji optycznej nad elektryczną od dawna przyciągają uwagę naukowców. Ale dzisiaj optyka komputerowa pozostaje w dużej mierze hybrydowa, to znaczy łączy podejście elektroniczne i optyczne.

A propos Pierwszy prototypowy komputer optoelektroniczny został stworzony w 1990 roku przez Bell Labs, aw 2003 roku Lenslet ogłosił pierwszy komercyjny procesor optyczny EnLight256, zdolny do wykonania 8 000 000 000 operacji na 8-bitowych liczbach całkowitych na sekundę (8 teraopów). Ale pomimo kroków już podjętych w tym kierunku, wciąż pozostały pytania w dziedzinie elektroniki optycznej.

Jedno z tych pytań było następujące. Schematy logiczne sugerują odpowiedź „1” lub „0” w zależności od tego, czy wystąpiły dwa zdarzenia - B i A.Ale fotony się nie zauważają, a odpowiedź obwodu powinna zależeć od dwóch wiązek światła.

Logika tranzystorowa, działająca z prądami, łatwo to robi. I jest wiele podobnych pytań. Dlatego nadal nie ma atrakcyjnych komercyjnie urządzeń optycznych opartych na logice optycznej, chociaż nastąpiły pewne zmiany. Tak więc w 2015 r. Naukowcy z laboratorium nanofotoniki i metamateriałów Uniwersytetu ITMO wykazali w eksperymencie możliwość produkcji ultraszybki tranzystor optycznyskładający się tylko z jednej nanocząsteczki krzemu.

Do dziś inżynierowie i naukowcy z wielu instytucji pracują nad problemem zastąpienia krzemu alternatywami: próbują grafen, disiarczek molibdenu, pomyśl o użyciu spinów cząstek i oczywiście - o świetle, jako zasadniczo nowym sposobie przekazywania i przechowywania informacji.

Lekki analog tranzystora jest najważniejszą koncepcją, polegającą na tym, że potrzebujesz urządzenia, które może selektywnie przepuszczać lub nie przepuszczać fotonów. Ponadto pożądany jest rozdzielacz, który może rozbić wiązkę na części i usunąć z niej pewne lekkie elementy.

Istnieją już prototypy, ale mają problem - ich rozmiary są gigantyczne, bardziej przypominają tranzystory z połowy ubiegłego wieku, kiedy era komputerów dopiero się zaczynała. Zmniejszenie wielkości takich tranzystorów i rozgałęźników nie jest łatwym zadaniem.

Przezwyciężenie podstawowej przeszkody

A tymczasem Na początku 2019 r. Naukowcom z laboratorium fotoniki hybrydowej Skolteha wraz z kolegami z IBM nadal udało się zbudować pierwszy tranzystor optyczny zdolny do pracy na częstotliwości 2 THz i jednocześnie wcale nie potrzebuje chłodzenia do zera absolutnego.

Wynik uzyskano przy użyciu najbardziej złożonego układu optycznego, który powstał dzięki długiej, żmudnej pracy zespołu. A teraz możemy powiedzieć, że procesory fotoniczne, które wykonują operacje z prędkością światła, są w zasadzie realne, tak realne jak komunikacja światłowodowa.

Pierwszy krok został zrobiony! Miniaturowy tranzystor optyczny, który nie wymaga chłodzenia i jest w stanie pracować tysiące razy szybciej niż jego elektroniczny przodek półprzewodnikowy.

Jak wspomniano powyżej, jednym z podstawowych problemów w tworzeniu elementów dla lekkich komputerów było to, że fotony nie oddziałują ze sobą i niezwykle trudno jest kontrolować ruch cząstek światła. Jednak naukowcy odkryli, że problem można rozwiązać, stosując tak zwane polaryzony.

Polariton - Jedna z niedawno utworzonych wirtualnych cząstek, jak foton, zdolna do wykazywania właściwości fal i cząstek. Polariton składa się z trzech elementów: rezonatora optycznego, składającego się z pary zwierciadeł odbijających, pomiędzy którymi uwięziona jest fala świetlna, a także studni kwantowej. Studnia kwantowa jest reprezentowana przez atom z obracającym się wokół niej elektronem, zdolnym do emitowania lub pochłaniania kwantowego światła.

W pierwszych eksperymentach quasi-cząstkowy polariton pokazał się w całej okazałości, pokazując, że można go wykorzystać do tworzenia tranzystorów i innych logicznych elementów lekkich komputerów, ale był jeden poważny minus - praca była możliwa tylko w ultraniskich temperaturach bliskich zeru absolutnemu.

Ale naukowcy rozwiązali ten problem. Nauczyli się tworzyć polaryzony nie w półprzewodnikach, ale w organicznych analogach półprzewodników, które zachowały wszystkie niezbędne właściwości nawet w temperaturze pokojowej.

Za rolę takiej substancji polifarafenylen - niedawno odkryty polimer, podobny do tych stosowanych w produkcji Kevlaru i różnych barwników.

Dzięki specjalnemu urządzeniu cząsteczki poliparafenylenowe mogą nawet wytwarzać w sobie specjalne strefy, które mogą pełnić w sobie funkcję studni kwantowej klasycznego polaritonu.

Po zamknięciu warstwy polifarafenenu między warstwami materiałów nieorganicznych naukowcy znaleźli sposób kontrolowania stanu studni kwantowej poprzez wymuszenie dwóch różnych rodzajów laserów i zmuszenie ich do emitowania fotonów.

Eksperymentalny prototyp tranzystora wykazał zdolność do rejestrowania szybkiego przełączania i wzmacniania sygnału świetlnego przy minimalnym zużyciu energii.

Trzy z tych tranzystorów już pozwoliły naukowcom na montaż pierwsze logiczne oprawy oświetlenioweodtwarzanie operacji „AND” i „OR”. Wynik eksperymentu sugeruje, że droga do stworzenia lekkie komputery- ekonomiczny, szybki i kompaktowy - wreszcie otwarty.