Optické tranzistory - budoucnost elektroniky

Téměř všechny technologie, i když mají tendenci se vyvíjet, se nakonec stanou zastaralými. Tento vzor neobešel křemíkovou elektroniku. Je snadné si všimnout, že v posledních letech se jeho pokrok výrazně zpomalil a obecně změnil směr jeho vývoje.

Počet tranzistorů v mikročipech se již dvakrát nezdvojnásobuje, jako tomu bylo dříve. A dnes se výkon počítače nezvyšuje zvyšováním jejich provozní frekvence, ale zvyšováním počtu jader v procesoru, tj. Rozšiřováním možností paralelních operací.

Není žádným tajemstvím, že jakýkoli moderní počítač je postaven z miliard malých tranzistorypředstavující polovodičová zařízení, která vedou elektrický proud, když je aplikován řídicí signál.

Čím je tranzistor menší, tím výraznější jsou rušivé efekty a úniky, které narušují jeho normální činnost a představují překážku vytváření ještě kompaktnějších a rychlejších zařízení.

Tyto faktory určují základní mez miniaturizace velikosti tranzistoru, takže křemíkový tranzistor v zásadě nemůže mít tloušťku větší než pět nanometrů.

Fyzický důvod spočívá v tom, že elektrony pohybující se v polovodiči plýtvají svou energií jednoduše proto, že tyto nabité částice mají hmotu. Čím vyšší je frekvence zařízení, tím větší je ztráta energie v něm.

Se snížením velikosti prvku, ačkoli energetické ztráty ve formě tepla mohou být sníženy, nelze vlivu atomové struktury zabránit. V praxi se samotná atomová struktura stává překážkou, protože velikost prvku dosažená dnes 10 nanometrů je srovnatelná v řádu velikosti pouze se stovkami atomů křemíku.

Elektrony nahrazují fotony

Ale co když se pokusíte použít ne aktuální, ale lehké? Koneckonců, fotony, na rozdíl od elektronů, nemají ani náboj, ani zbytkovou hmotnost, a zároveň jsou nejrychlejšími částicemi. Navíc jejich toky na různých vlnových délkách nebudou vzájemně synchronizovat během synchronní operace.

S přechodem na optické technologie v oblasti správy informací lze tedy získat více výhod oproti polovodičům (s nimi se pohybují těžké nabité částice).

Informace posílané pomocí světelného paprsku by mohly být zpracovávány přímo v procesu jeho přenosu a energetické výdaje by nebyly tak významné jako při přenosu pohybujícím se elektrickým nábojem. A paralelní výpočty by umožnily aplikované vlny různých délek a pro optický systém by žádné elektromagnetické rušení nebylo v zásadě nebojácné.

Zjevné výhody optického konceptu oproti elektrickému konceptu již dlouho přitahovaly pozornost vědců. Dnes však výpočetní optika zůstává z velké části hybridní, tj. Kombinuje elektronické a optické přístupy.

Mimochodem První prototyp optoelektronického počítače byl vytvořen v roce 1990 společností Bell Labs av roce 2003 společnost Lenslet oznámila první komerční optický procesor EnLight256, který je schopen provádět až 8 000 000 000 operací na 8bitových celých číslech za sekundu (8 teraop). Navzdory krokům již podniknutým tímto směrem však zůstaly otázky v oblasti optické elektroniky.

Jedna z těchto otázek byla následující. Logické obvody znamenají odpověď „1“ nebo „0“ v závislosti na tom, zda došlo ke dvěma událostem - B a A.Ale fotony si navzájem nevšimnou a odezva obvodu by měla záviset na dvou světelných paprskech.

Logika tranzistoru, pracující s proudy, to snadno dělá. A existuje mnoho podobných otázek. Proto dosud neexistují komerčně atraktivní optická zařízení založená na optické logice, ačkoli došlo k určitému vývoji. V roce 2015 tak vědci z laboratoře nanofotoniky a metamateriálů univerzity ITMO prokázali experimentem možnost výroby ultrarychlý optický tranzistorsestávající pouze z jedné křemíkové nanočástice.

Dnes technici a vědci mnoha institucí pracují na problému nahrazení křemíku alternativami: snaží se grafen, disulfid molybdenu, uvažují o použití točení částic a samozřejmě o světle jako o zásadně novém způsobu přenosu a ukládání informací.

Světelný analog tranzistoru je nejdůležitějším konceptem, který spočívá ve skutečnosti, že potřebujete zařízení, které dokáže selektivně procházet nebo nepropouštět fotony. Kromě toho je žádoucí splitter, který může rozbít paprsek na části a odstranit z něj určité světelné komponenty.

Prototypy již existují, ale mají problém - jejich velikosti jsou obrovské, jsou spíš tranzistory z poloviny minulého století, kdy počítačový věk teprve začínal. Zmenšení velikosti takových tranzistorů a rozbočovačů není snadný úkol.

Základní překážka překonána

A mezitím Začátkem roku 2019 se vědcům z laboratoře hybridní fotoniky Skolteha společně s kolegy z IBM podařilo vybudovat první optický tranzistor schopný provozu při frekvenci 2 THz. a současně nevyžadující chlazení na absolutní nulu.

Výsledek byl získán pomocí nejsložitějšího optického systému, který byl vytvořen dlouhou pečlivou prací týmu. A nyní můžeme říci, že fotonické procesory, které provádějí operace rychlostí světla, jsou v zásadě skutečné, stejně skutečné jako komunikace optickými vlákny.

První krok byl učiněn! Byl vytvořen miniaturní optický tranzistor, který nevyžaduje chlazení a je schopen pracovat tisícekrát rychleji než jeho elektronický předek polovodičů.

Jak bylo uvedeno výše, jedním ze základních problémů při vytváření prvků pro lehké počítače bylo to, že fotony vzájemně neinteragují, a je extrémně obtížné řídit pohyb světelných částic. Vědci však zjistili, že problém lze řešit uchycením k tzv. Polaritonům.

Polariton - Jedna z nedávno vytvořených virtuálních částic, jako je foton, a schopná projevovat vlastnosti vln a částic. Polariton zahrnuje tři komponenty: optický rezonátor, sestávající z dvojice odrazových zrcadel, mezi nimiž je uvězněna světelná vlna, a také kvantová studna. Kvantová studna je představována atomem s elektronem rotujícím kolem, schopným emitovat nebo absorbovat kvantové světlo.

V prvních experimentech se kvasipartikulární polariton projevil v celé své kráse, což ukazuje, že je možné jej použít k vytvoření tranzistorů a dalších logických prvků světelných počítačů, ale jedna vážná mínus - práce byla možná pouze za ultralehkých teplot téměř absolutní nuly.

Ale vědci tento problém vyřešili. Naučili se, jak vytvářet polaritony nikoli v polovodičích, ale v organických analogech polovodičů, které si zachovaly všechny potřebné vlastnosti i při pokojové teplotě.

Za roli takové látky polyparafenylen - nedávno objevený polymer podobný polymerům používaným při výrobě Kevlaru a různých barviv.

Díky speciálnímu zařízení mohou polyparafenylenové molekuly v sobě dokonce vytvářet zvláštní zóny, které mohou uvnitř plnit funkci kvantové studny klasického polaritonu.

Po uzavření filmu z polyparafenylenu mezi vrstvami anorganických materiálů našli vědci způsob, jak kontrolovat stav kvantové studny tím, že nutí dva různé typy laserů a nutí je, aby emitovaly fotony.

Experimentální prototyp tranzistoru prokázal schopnost zaznamenat rychlé přepínání a zesílení světelného signálu s minimální spotřebou energie.

Tři z těchto tranzistorů již vědcům umožnili shromáždění první logická svítidlaopakování operací "AND" a "OR". Výsledek experimentu naznačuje, že cesta k vytvoření lehké počítače- hospodárný, rychlý a kompaktní - konečně otevřený.