Tranzistoare optice - Viitorul electronicelor

Aproape toate tehnologiile, deși tind să se dezvolte, în cele din urmă devin învechite. Acest model nu a ocolit electronica cu siliciu Este ușor de observat că, în ultimii ani, progresul său a încetinit semnificativ și, în general, a schimbat direcția dezvoltării sale.

Numărul tranzistoarelor din microcipuri nu se mai dublează la fiecare doi ani, așa cum a fost înainte. Și astăzi, performanța computerului crește nu prin creșterea frecvenței de operare, ci prin creșterea numărului de nuclee din procesor, adică prin extinderea capabilităților pentru operații paralele.

Nu este un secret faptul că orice computer modern este construit din miliarde de mici tranzistorireprezentând dispozitive semiconductoare care conduc curent electric atunci când este aplicat un semnal de control.

Dar cu cât tranzistorul este mai mic, cu atât sunt mai pronunțate efectele și scurgerile spuroase care interferează cu funcționarea sa normală și constituie un obstacol în crearea dispozitivelor și mai compacte și mai rapide.

Acești factori determină limita fundamentală a miniaturizării dimensiunii tranzistorului, astfel încât un tranzistor siliciu, în principiu, nu poate avea o grosime mai mare de cinci nanometri.

Motivul fizic constă în faptul că electronii care se deplasează printr-un semiconductor își risipesc energia pur și simplu pentru că aceste particule încărcate au masă. Și cu cât este mai mare frecvența dispozitivului, cu atât devine mai mare pierderea de energie în acesta.

Cu o scădere a dimensiunii elementului, deși pierderile de energie sub formă de căldură pot fi reduse, influența structurii atomice nu poate fi prevenită. În practică, însăși structura atomică începe să devină un obstacol, deoarece dimensiunea elementului atins până astăzi de 10 nanometri este comparabilă în ordinea mărimii cu doar o sută de atomi de siliciu.

Electronii înlocuiesc fotonii

Dar dacă încercați să folosiți nu curent, ci lumină? Până la urmă, fotonii, spre deosebire de electroni, nu au nici sarcină, nici masă de repaus și, în același timp, sunt cele mai rapide particule. Mai mult, fluxurile lor la diferite lungimi de undă nu vor interfera între ele în timpul funcționării sincrone.

Astfel, odată cu trecerea la tehnologiile optice în domeniul managementului informației, s-ar putea obține multe avantaje față de semiconductori (cu particule grele care se deplasează prin ele).

Informațiile transmise cu ajutorul unui fascicul luminos ar putea fi procesate direct în procesul de transmitere a acestuia, iar cheltuielile de energie nu ar fi la fel de substanțiale ca atunci când sunt transmise de o sarcină electrică în mișcare. Și calculele paralele ar fi posibile de către undele aplicate de lungimi diferite, iar pentru sistemul optic, nicio interferență electromagnetică nu ar fi fundamental neînfricată.

Avantajele evidente ale conceptului optic față de cel electric au atras de mult atenția oamenilor de știință. Dar astăzi, calcularea opticii rămâne în mare parte hibridă, adică combinarea abordărilor electronice și optice.

Apropo Primul prototip computer optoelectronic a fost creat în 1990 de Bell Labs, iar în 2003, Lenslet a anunțat primul procesor optic comercial EnLight256, capabil să efectueze până la 8.000.000.000 de operații pe întregi pe 8 biți pe secundă (8 teraop). Dar, în ciuda pașilor deja făcuți în această direcție, au mai rămas întrebări în domeniul electronicii optice.

Una dintre aceste întrebări a fost următoarea. Circuitele logice implică răspunsul „1” sau „0” în funcție de două evenimente - B și A.Dar fotonii nu se sesizează reciproc, iar răspunsul circuitului ar trebui să depindă de două raze de lumină.

Logica tranzistorului, care operează cu curenți, face acest lucru cu ușurință. Și există o mulțime de întrebări similare. Prin urmare, încă nu există dispozitive optice atractive din punct de vedere comercial bazate pe logica optică, deși au existat unele evoluții. Așadar, în 2015, oamenii de știință de la laboratorul de nanofotonică și metamateriale ale Universității ITMO au demonstrat într-un experiment posibilitatea fabricării tranzistor optic ultrarapidconstând dintr-o singură nanoparticula de siliciu.

Până în ziua de azi, inginerii și oamenii de știință ai mai multor instituții lucrează la problema înlocuirii siliciului cu alternative: încearcă Grafenul, disulfura de molibden, se gândesc la utilizarea rotirilor de particule și, desigur, la lumină, ca un mod fundamental nou de transmitere și stocare a informațiilor.

Analogul ușor al tranzistorului este cel mai important concept, care constă în faptul că aveți nevoie de un dispozitiv care să poată trece sau nu să treacă fotoni. În plus, este de dorit un splitter, care poate sparge fasciculul în părți și poate elimina anumite componente ușoare din el.

Prototipurile există deja, dar au o problemă - dimensiunile lor sunt gigantice, sunt mai mult ca tranzistoarele de la mijlocul secolului trecut, când era computerului abia începea. Reducerea dimensiunii unor astfel de tranzistoare și divizoare nu este o sarcină ușoară.

Obstacolul fundamental depășit

Și între timp La începutul anului 2019, oamenii de știință de la laboratorul de fotonică hibrid Skolteha, împreună cu colegii de la IBM, au reușit totuși să construiască primul tranzistor optic capabil să funcționeze la o frecvență de 2 THz și, în același timp, nu necesită răcire până la zero absolut.

Rezultatul a fost obținut folosind cel mai complex sistem optic, care a fost creat prin munca îndelungată a echipei. Și acum putem spune că procesoarele fotonice care efectuează operații cu viteza luminii sunt, în principiu, reale, la fel de reale ca și comunicarea cu fibră optică.

Primul pas a fost făcut! Un tranzistor optic în miniatură care nu necesită răcire și este capabil să funcționeze de mii de ori mai rapid decât a fost creat strămoșul său semiconductor electronic.

După cum sa menționat mai sus, una dintre problemele fundamentale în crearea de elemente pentru computere ușoare a fost aceea că fotonii nu interacționează între ei și este extrem de dificil să controlați mișcarea particulelor de lumină. Cu toate acestea, oamenii de știință au descoperit că problema poate fi abordată apelând la așa-numitele politoane.

polaritonice - Una dintre particulele virtuale create recent, precum un foton, și capabilă să prezinte proprietățile undelor și particulelor. Politonul include trei componente: un rezonator optic, format dintr-o pereche de oglinzi reflector, între care este închis o undă de lumină, precum și un puț cuantic. Un puț cuantic este reprezentat de un atom cu un electron care se rotește în jurul său, capabil să emită sau să absoarbă o cantitate de lumină.

În primele experimente, polaritonul cvasiparticulară s-a arătat în toată gloria sa, arătând că poate fi folosit pentru a crea tranzistoare și alte elemente logice ale computerelor ușoare, dar a existat un minus grav - munca a fost posibilă doar la temperaturi ultralow aproape de zero absolut.

Dar oamenii de știință au rezolvat această problemă. Au învățat cum să creeze polaritoni nu în semiconductori, ci în analogi organici ai semiconductorilor, care au păstrat toate proprietățile necesare chiar și la temperatura camerei.

Pentru rolul unei astfel de substanțe poliparafenilen - un polimer descoperit recent, similar cu cel utilizat la producerea Kevlarului și o varietate de coloranți.

Datorită unui dispozitiv special, moleculele de polifrapilenenă pot genera chiar zone în sine care pot îndeplini funcția unui puț cuantic dintr-un polariton clasic în interiorul lor.

După ce au închis un film de polifrapilenă între straturile de materiale anorganice, oamenii de știință au găsit o modalitate de a controla starea unui puț cuantic și de a-l forța să emită fotoni folosind acțiunea laser de două tipuri diferite.

Un prototip experimental al tranzistorului a demonstrat capacitatea de a înregistra comutarea rapidă și amplificarea semnalului luminos cu un consum minim de energie.

Trei dintre aceste tranzistoare au permis deja cercetării să asambleze primele corpuri de iluminat logicereproducând operațiunile „ȘI” și „OR”. Rezultatul experimentului sugerează că drumul către creație calculatoare ușoare- economic, rapid și compact - în sfârșit deschis.