Transistors optiques - L'avenir de l'électronique

Presque toutes les technologies, même si elles ont tendance à se développer, finissent par devenir obsolètes. Ce modèle n'a pas contourné l'électronique au silicium. Il est facile de remarquer que ces dernières années, ses progrès ont considérablement ralenti et ont généralement changé la direction de son développement.

Le nombre de transistors en micropuces ne double plus comme tous les deux ans. Et aujourd'hui, les performances des ordinateurs augmentent non pas en augmentant leur fréquence de fonctionnement, mais en augmentant le nombre de cœurs dans le processeur, c'est-à-dire en étendant les capacités des opérations parallèles.

Ce n'est un secret pour personne qu'un ordinateur moderne est construit à partir de milliards de petits transistorsreprésentant des dispositifs semi-conducteurs qui conduisent un courant électrique lorsqu'un signal de commande est appliqué.

Mais plus le transistor est petit, plus les effets parasites et les fuites sont prononcés qui interfèrent avec son fonctionnement normal et constituent un obstacle à la création d'appareils encore plus compacts et plus rapides.

Ces facteurs déterminent la limite fondamentale de la miniaturisation de la taille du transistor, de sorte qu'un transistor au silicium, en principe, ne peut pas avoir une épaisseur supérieure à cinq nanomètres.

La raison physique réside dans le fait que les électrons se déplaçant à travers un semi-conducteur gaspillent leur énergie simplement parce que ces particules chargées ont une masse. Et plus la fréquence de l'appareil est élevée, plus la perte d'énergie y est importante.

Avec une diminution de la taille de l'élément, bien que les pertes d'énergie sous forme de chaleur puissent être réduites, l'influence de la structure atomique ne peut pas être empêchée. En pratique, la structure atomique elle-même commence à devenir un obstacle, car la taille de l'élément atteint aujourd'hui de 10 nanomètres est comparable par ordre de grandeur à une centaine d'atomes de silicium.

Les électrons remplacent les photons

Mais que faire si vous essayez d'utiliser non pas du courant, mais de la lumière? Après tout, les photons, contrairement aux électrons, n'ont ni masse de charge ni de repos, et en même temps ce sont les particules les plus rapides. De plus, leurs écoulements à différentes longueurs d'onde n'interféreront pas les uns avec les autres pendant le fonctionnement synchrone.

Ainsi, avec la transition vers les technologies optiques dans le domaine de la gestion de l'information, on pourrait obtenir de nombreux avantages par rapport aux semi-conducteurs (avec de lourdes particules chargées les traversant).

Les informations envoyées au moyen d'un faisceau lumineux pourraient être traitées directement au cours de leur transmission, et les dépenses énergétiques ne seraient pas aussi importantes que lorsqu'elles sont transmises par une charge électrique en mouvement. Et des calculs parallèles seraient rendus possibles par les ondes appliquées de différentes longueurs, et pour le système optique, aucune interférence électromagnétique ne serait fondamentalement sans peur.

Les avantages évidents du concept optique sur le concept électrique ont depuis longtemps attiré l'attention des scientifiques. Mais aujourd'hui, l'optique informatique reste largement hybride, c'est-à-dire combinant des approches électroniques et optiques.

Au fait Le premier prototype d'ordinateur optoélectronique a été créé en 1990 par Bell Labs, et en 2003 Lenslet a annoncé le premier processeur optique commercial EnLight256, capable d'effectuer jusqu'à 8.000.000.000 d'opérations sur des entiers 8 bits par seconde (8 téraop). Mais malgré les démarches déjà entreprises dans ce sens, des questions demeurent dans le domaine de l'électronique optique.

L'une de ces questions était la suivante. Les circuits logiques impliquent une réponse de «1» ou «0» selon que deux événements se sont produits - B et A.Mais les photons ne se remarquent pas et la réponse du circuit devrait dépendre de deux faisceaux lumineux.

La logique du transistor, fonctionnant avec des courants, le fait facilement. Et il y a beaucoup de questions similaires. Par conséquent, il n'y a toujours pas de dispositifs optiques commercialement attrayants basés sur la logique optique, bien qu'il y ait eu quelques développements. Ainsi, en 2015, des scientifiques du laboratoire de nanophotonique et de métamatériaux de l'Université ITMO ont démontré dans une expérience la possibilité de fabriquer transistor optique ultrarapidecomposé d'une seule nanoparticule de silicium.

À ce jour, les ingénieurs et scientifiques de nombreuses institutions travaillent sur le problème du remplacement du silicium par des alternatives: ils essaient graphène, le bisulfure de molybdène, envisagent d'utiliser les spins de particules et bien sûr - la lumière, comme un moyen fondamentalement nouveau de transmettre et de stocker des informations.

L'analogue de lumière du transistor est le concept le plus important, qui consiste en ce que vous avez besoin d'un appareil qui peut sélectivement passer ou non des photons. De plus, un séparateur est souhaitable, ce qui peut briser le faisceau en parties et en retirer certains composants légers.

Les prototypes existent déjà, mais ils ont un problème - leurs tailles sont gigantesques, ils ressemblent plus à des transistors du milieu du siècle dernier, quand l'ère informatique commençait à peine. Réduire la taille de ces transistors et séparateurs n'est pas une tâche facile.

Obstacle fondamental surmonté

Et en attendant Début 2019, des scientifiques du laboratoire de photonique hybride de Skolteha, avec des collègues d'IBM, ont réussi à construire le premier transistor optique capable de fonctionner à une fréquence de 2 THz et en même temps ne nécessitant aucun refroidissement à zéro absolu.

Le résultat a été obtenu en utilisant le système optique le plus complexe, qui a été créé par le long travail minutieux de l'équipe. Et maintenant, nous pouvons dire que les processeurs photoniques qui effectuent des opérations à la vitesse de la lumière sont, en principe, aussi réels que la communication par fibre optique.

Le premier pas a été franchi! Un transistor optique miniature qui ne nécessite pas de refroidissement et est capable de fonctionner des milliers de fois plus rapidement que son ancêtre semi-conducteur électronique a été créé.

Comme indiqué ci-dessus, l'un des problèmes fondamentaux de la création d'éléments pour les ordinateurs légers est que les photons n'interagissent pas entre eux, et il est extrêmement difficile de contrôler le mouvement des particules de lumière. Cependant, les scientifiques ont découvert que le problème peut être résolu en recourant aux soi-disant polaritons.

Polariton - L'une des particules virtuelles récemment créées, comme un photon, et capable de présenter les propriétés des ondes et des particules. Un polariton comprend trois composants: un résonateur optique, composé d'une paire de miroirs réflecteurs, entre lesquels une onde lumineuse est emprisonnée, ainsi qu'un puits quantique. Un puits quantique est représenté par un atome avec un électron tournant autour de lui, capable d'émettre ou d'absorber un quantum de lumière.

Dans les premières expériences, le polariton de quasi-particules s'est montré dans toute sa splendeur, montrant qu'il peut être utilisé pour créer des transistors et d'autres éléments logiques des ordinateurs légers, mais il y avait un inconvénient sérieux - le travail n'était possible qu'à des températures ultra-basses proches du zéro absolu.

Mais les scientifiques ont résolu ce problème. Ils ont appris à créer des polaritons non pas dans des semi-conducteurs, mais dans des analogues organiques de semi-conducteurs, qui conservaient toutes les propriétés nécessaires même à température ambiante.

Pour le rôle d'une telle substance polyparaphénylène - un polymère récemment découvert, similaire à ceux utilisés dans la production de Kevlar et d'une variété de colorants.

Grâce à un dispositif spécial, les molécules de polyparaphénylène peuvent même générer en elles-mêmes des zones spéciales qui peuvent remplir la fonction d'un puits quantique d'un polariton classique en elles-mêmes.

Après avoir enfermé un film de polyparaphénylène entre des couches de matériaux inorganiques, les scientifiques ont trouvé un moyen de contrôler l'état d'un puits quantique en forçant deux types de lasers différents et en les forçant à émettre des photons.

Un prototype expérimental du transistor a démontré la capacité d'enregistrer une commutation et une amplification rapides du signal lumineux avec une consommation d'énergie minimale.

Trois de ces transistors ont déjà permis aux chercheurs de monter premiers luminaires logiquesreproduisant les opérations "ET" et "OU". Le résultat de l'expérience suggère que le chemin de la création ordinateurs légers- économique, rapide et compact - enfin ouvert.