Transistores ópticos - O futuro da eletrônica

Quase todas as tecnologias, embora tendam a se desenvolver, acabam se tornando obsoletas. Esse padrão não contornou a eletrônica de silício. É fácil notar que, nos últimos anos, seu progresso diminuiu significativamente e geralmente mudou a direção de seu desenvolvimento.

O número de transistores em microchips não mais dobra a cada dois anos, como era antes. E hoje, o desempenho do computador está aumentando, não aumentando sua frequência operacional, mas aumentando o número de núcleos no processador, ou seja, expandindo os recursos para operações paralelas.

Não é segredo que qualquer computador moderno seja construído a partir de bilhões de transistoresrepresentando dispositivos semicondutores que conduzem corrente elétrica quando um sinal de controle é aplicado.

Porém, quanto menor o transistor, mais pronunciados são os efeitos e vazamentos espúrios que interferem em sua operação normal e constituem um obstáculo à criação de dispositivos ainda mais compactos e mais rápidos.

Esses fatores determinam o limite fundamental para a miniaturização do tamanho do transistor; portanto, um transistor de silício, em princípio, não pode ter uma espessura superior a cinco nanômetros.

A razão física está no fato de que os elétrons que se movem através de um semicondutor gastam sua energia simplesmente porque essas partículas carregadas têm massa. E quanto maior a frequência do dispositivo, maior será a perda de energia.

Com uma diminuição no tamanho do elemento, embora as perdas de energia na forma de calor possam ser reduzidas, a influência da estrutura atômica não pode ser evitada. Na prática, a própria estrutura atômica começa a se tornar um obstáculo, uma vez que o tamanho do elemento alcançado hoje em 10 nanômetros é comparável em ordem de magnitude com apenas cem átomos de silício.

Os elétrons estão substituindo os fótons

Mas e se você tentar usar não corrente, mas luz? Afinal, os fótons, diferentemente dos elétrons, não têm carga nem massa de repouso e, ao mesmo tempo, são as partículas mais rápidas. Além disso, seus fluxos em diferentes comprimentos de onda não interferem entre si durante a operação síncrona.

Assim, com a transição para as tecnologias ópticas no campo do gerenciamento de informações, é possível obter muitas vantagens sobre os semicondutores (com partículas carregadas pesadas se movendo através deles).

As informações enviadas por meio de um feixe de luz poderiam ser processadas diretamente no processo de sua transmissão, e os gastos com energia não seriam tão substanciais quanto quando transmitidos por uma carga elétrica em movimento. E cálculos paralelos seriam possibilitados pelas ondas aplicadas de diferentes comprimentos e, para o sistema óptico, nenhuma interferência eletromagnética seria fundamentalmente destemida.

As vantagens óbvias do conceito óptico sobre o elétrico atraem a atenção dos cientistas há muito tempo. Hoje, porém, a óptica da computação permanece amplamente híbrida, isto é, combinando abordagens eletrônicas e ópticas.

By the way O primeiro protótipo de computador optoeletrônico foi criado em 1990 pela Bell Labs e em 2003 a Lenslet anunciou o primeiro processador óptico comercial EnLight256, capaz de executar até 8.000.000.000 de operações em números inteiros de 8 bits por segundo (8 teraop). Mas, apesar das medidas já tomadas nessa direção, ainda restavam dúvidas no campo da eletrônica óptica.

Uma dessas perguntas foi a seguinte. Os circuitos lógicos implicam uma resposta de "1" ou "0", dependendo se dois eventos ocorreram - B e A.Mas os fótons não se notam, e a resposta do circuito deve depender de dois feixes de luz.

A lógica do transistor, operando com correntes, faz isso facilmente. E há muitas perguntas semelhantes. Portanto, ainda não existem dispositivos ópticos comercialmente atraentes baseados na lógica óptica, embora tenha havido alguns desenvolvimentos. Assim, em 2015, cientistas do laboratório de nanofotônica e metamateriais da Universidade ITMO demonstraram em um experimento a possibilidade de fabricar transistor óptico ultra-rápidoconsistindo em apenas uma nanopartícula de silício.

Até hoje, engenheiros e cientistas de muitas instituições estão trabalhando no problema de substituir o silício por alternativas: eles estão tentando grafeno, dissulfeto de molibdênio, pense em usar rotações de partículas e, é claro - em luz, como uma maneira fundamentalmente nova de transmitir e armazenar informações.

O analógico de luz do transistor é o conceito mais importante, que consiste no fato de que você precisa de um dispositivo que possa passar seletivamente ou não passar fótons. Além disso, é desejável um divisor, que pode quebrar o feixe em partes e remover certos componentes de luz dele.

Já existem protótipos, mas eles têm um problema - seus tamanhos são gigantescos, são mais parecidos com transistores de meados do século passado, quando a era dos computadores estava apenas começando. Reduzir o tamanho desses transistores e divisores não é uma tarefa fácil.

Obstáculo fundamental superado

E enquanto isso No início de 2019, cientistas do laboratório de fotônica híbrida Skolteha, juntamente com colegas da IBM, ainda conseguiram construir o primeiro transistor óptico capaz de operar a uma frequência de 2 THz e, ao mesmo tempo, sem necessidade de resfriamento para zero absoluto.

O resultado foi obtido usando o sistema óptico mais complexo, criado pelo longo trabalho minucioso da equipe. E agora podemos dizer que os processadores fotônicos que realizam operações na velocidade da luz são, em princípio, reais, tão reais quanto a comunicação por fibra óptica.

O primeiro passo foi dado! Um transistor óptico em miniatura que não requer refrigeração e é capaz de funcionar milhares de vezes mais rápido que o seu ancestral eletrônico de semicondutores foi criado.

Como observado acima, um dos problemas fundamentais na criação de elementos para computadores leves foi o fato de os fótons não interagirem entre si, e é extremamente difícil controlar o movimento das partículas de luz. No entanto, os cientistas descobriram que o problema pode ser resolvido recorrendo aos chamados polaritons.

Polariton - Uma das partículas virtuais criadas recentemente, como um fóton, capaz de exibir as propriedades de ondas e partículas. Um polariton inclui três componentes: um ressonador óptico, composto por um par de espelhos refletores, entre os quais uma onda de luz é aprisionada, bem como um poço quântico. Um poço quântico é representado por um átomo com um elétron girando em torno dele, capaz de emitir ou absorver um quantum de luz.

Nos primeiros experimentos, o polariton de quase partícula mostrou-se em toda a sua glória, mostrando que pode ser usado para criar transistores e outros elementos lógicos de computadores leves, mas havia um sinal de menos - o trabalho era possível apenas em temperaturas muito baixas perto do zero absoluto.

Mas os cientistas resolveram esse problema. Eles aprenderam a criar polaritons não em semicondutores, mas em análogos orgânicos de semicondutores, que mantinham todas as propriedades necessárias, mesmo em temperatura ambiente.

Para o papel de tal substância poliparafenileno - um polímero recentemente descoberto, semelhante aos usados ​​na produção de Kevlar e uma variedade de corantes.

Graças a um dispositivo especial, as moléculas de poliarafenileno são capazes de gerar zonas especiais dentro de si que podem cumprir a função de um poço quântico de um polariton clássico dentro de si.

Tendo encerrado um filme de poliarafenileno entre camadas de materiais inorgânicos, os cientistas descobriram uma maneira de controlar o estado de um poço quântico, forçando dois tipos diferentes de lasers e forçando-os a emitir fótons.

Um protótipo experimental do transistor demonstrou a capacidade de registrar comutação e amplificação rápidas do sinal de luz com consumo mínimo de energia.

Três desses transistores já permitiram que os pesquisadores montassem primeiras luminárias lógicasreproduzir as operações "AND" e "OR". O resultado do experimento sugere que o caminho para a criação computadores leves- econômico, rápido e compacto - finalmente aberto.