Optiska transistorer - Elektronikens framtid

Nästan all teknik, även om de tenderar att utvecklas, blir så småningom föråldrad. Detta mönster kringgås inte kiselelektronik. Det är lätt att märka att de senaste åren har utvecklats långsammare och generellt förändrat utvecklingsriktningen.

Antalet transistorer i mikrochip fördubblas inte längre vartannat år, som det var tidigare. Och idag ökar datorns prestanda inte genom att öka deras driftsfrekvens utan genom att öka antalet kärnor i processorn, det vill säga genom att utöka kapaciteten för parallella operationer.

Det är ingen hemlighet att någon modern dator är byggd av miljarder små transistorerrepresenterar halvledaranordningar som leder elektrisk ström när en styrsignal appliceras.

Men ju mindre transistorn är, desto mer uttalad är de falska effekterna och läckorna som stör sin normala drift och utgör ett hinder för att skapa ännu mer kompakta och snabbare enheter.

Dessa faktorer bestämmer den grundläggande gränsen för miniatyriseringen av transistorns storlek, så en kiseltransistor kan i princip inte ha en tjocklek på mer än fem nanometer.

Den fysiska orsaken ligger i det faktum att elektroner som rör sig genom en halvledare slösar bort sin energi helt enkelt för att dessa laddade partiklar har massa. Och ju högre frekvensen för enheten görs, desto större blir energiförlusten i den.

Med en minskning av elementets storlek, även om energiförluster i form av värme kan minskas, kan inte påverkan av atomstrukturen förhindras. I praktiken börjar själva atomstrukturen bli ett hinder, eftersom elementstorleken uppnås med idag på 10 nanometer är jämförbar i storleksordning med bara hundra kiselatomer.

Elektroner ersätter fotoner

Men vad händer om du försöker använda inte ström, utan ljus? När allt kommer omkring har fotoner, till skillnad från elektroner, varken laddnings- eller vilmassa, och samtidigt är de de snabbaste partiklarna. Dessutom kommer deras flöden vid olika våglängder inte att störa varandra under synkron drift.

Med övergången till optisk teknik inom informationshantering kan man alltså få många fördelar jämfört med halvledare (med tunga laddade partiklar som rör sig genom dem).

Information som skickas med hjälp av en ljusstråle skulle kunna bearbetas direkt under överföringen, och energikostnaderna skulle inte vara lika stora som vid överföring med en rörlig elektrisk laddning. Och parallella beräkningar skulle möjliggöras av de applicerade vågorna med olika längder, och för det optiska systemet skulle ingen elektromagnetisk störning vara grundläggande orädd.

De uppenbara fördelarna med det optiska konceptet jämfört med det elektriska har länge väckt forskarnas uppmärksamhet. Men idag förblir datoroptik till stor del hybrid, det vill säga att kombinera elektroniska och optiska metoder.

Förresten Den första prototypen optoelektronisk dator skapades redan 1990 av Bell Labs, och 2003 tillkännagav Lenslet den första kommersiella optiska processorn EnLight256, som kan utföra upp till 8 000 000 000 operationer på 8-bitars heltal per sekund (8 teraop). Men trots de steg som redan gjorts i denna riktning, kvarstår frågor fortfarande inom området för optisk elektronik.

En av dessa frågor var följande. Logiska kretsar innebär svaret “1” eller “0” beroende på om två händelser har inträffat - B och A.Men fotoner märker inte varandra, och kretsens svar bör bero på två ljusstrålar.

Transistorlogik, som arbetar med strömmar, gör detta enkelt. Och det finns många liknande frågor. Därför finns det fortfarande inga kommersiellt attraktiva optiska enheter baserade på optisk logik, även om det har skett vissa utvecklingar. 2015 visade forskare från laboratoriet för nanofotonik och metamaterial från ITMO University i ett experiment möjligheten att tillverka ultra snabb optisk transistorbestående av bara en kisel-nanopartikel.

Fram till idag arbetar ingenjörer och forskare från många institutioner med problemet med att ersätta kisel med alternativ: de försöker grafen, molybden disulfid, funderar på att använda partikelsnurr och naturligtvis - om ljus, som ett grundläggande nytt sätt att överföra och lagra information.

Transistorens ljusanalog är det viktigaste konceptet, som består i det faktum att du behöver en enhet som selektivt kan passera eller inte passera fotoner. Dessutom är en splitter önskvärd, som kan bryta strålen i delar och ta bort vissa ljuskomponenter från den.

Prototyper finns redan, men de har ett problem - deras storlekar är gigantiska, de är mer som transistorer från mitten av förra seklet, då datoråldern just började. Att minska storleken på sådana transistorer och delare är inte en lätt uppgift.

Grundläggande hinder övervinnas

Och under tiden I början av 2019 lyckades forskare från Skolteha hybridfotoniklaboratorium, tillsammans med kollegor från IBM, ändå bygga den första optiska transistorn som kan arbeta med en frekvens av 2 THz och samtidigt inte kräver någon kylning till absolut noll.

Resultatet erhölls med hjälp av det mest komplexa optiska systemet, som skapades av teamets långa noggranna arbete. Och nu kan vi säga att fotoniska processorer som utför operationer med ljusets hastighet i princip är verkliga, lika verkliga som fiberoptisk kommunikation.

Det första steget har tagits! En miniatyr optisk transistor som inte kräver kylning och som kan arbeta tusentals gånger snabbare än dess elektroniska halvledarförfader har skapats.

Som nämnts ovan var ett av de grundläggande problemen med att skapa element för ljusdatorer att fotoner inte interagerar med varandra, och det är extremt svårt att kontrollera rörelsen hos ljuspartiklar. Men forskare har funnit att problemet kan lösas genom att ta till de så kallade polaritonerna.

polariton - En av de nyligen skapade virtuella partiklarna, som en foton, och som kan visa vågor och partiklar. Polariton innehåller tre komponenter: en optisk resonator, bestående av ett par reflektorspeglar, mellan vilka en ljusvåg är fängslad, liksom en kvantbrunn. En kvantbrunn representeras av en atom med en elektron som roterar runt den, som kan avge eller absorbera ett kvantitet av ljus.

I de första experimenten visade kvasipartikelens polariton sig i all sin härlighet och visade att det kan användas för att skapa transistorer och andra logiska element i lätta datorer, men det fanns ett allvarligt minus - arbete var möjligt endast vid ultraljudstemperaturer nära absolut noll.

Men forskare har löst detta problem. De lärde sig att skapa polaritoner inte i halvledare, utan i organiska analoger av halvledare, som behöll alla nödvändiga egenskaper även vid rumstemperatur.

För rollen som ett sådant ämne polyparafenylen - en nyligen upptäckt polymer, liknande den som användes vid framställningen av Kevlar och olika färgämnen.

Tack vare en speciell anordning kan polyparaphenylenmolekyler till och med generera speciella zoner i sig själva som kan uppfylla funktionen för en kvantbrunn i en klassisk polariton i sig själva.

Efter att ha omsluten en film av polyparaphenylen mellan lager av oorganiska material har forskare hittat ett sätt att kontrollera kvantbrunnens tillstånd genom att tvinga två olika typer av lasrar och tvinga dem att avge fotoner.

En experimentell prototyp av transistorn visade förmågan att spela in snabb omkoppling och förstärkning av ljussignalen med minimal energiförbrukning.

Tre av dessa transistorer har redan tillåtit forskare att montera första logiska belysningsarmatureråterge operationerna "OCH" och "ELLER". Resultatet av experimentet antyder att vägen till skapelsen lätta datorer- ekonomiskt, snabbt och kompakt - äntligen öppet.