Оптични транзистори - бъдещето на електрониката

Почти всички технологии, въпреки че са склонни да се развиват, в крайна сметка остаряват. Този модел не заобикаляше силициевата електроника. Лесно е да се забележи, че през последните години напредъкът му се забави значително и като цяло промени посоката на своето развитие.

Броят на транзисторите в микрочипове вече не се удвоява на всеки две години, както беше преди. И днес производителността на компютъра се увеличава не чрез увеличаване на работната им честота, а чрез увеличаване на броя на ядрата в процесора, тоест чрез разширяване на възможностите за паралелни операции.

Не е тайна, че всеки съвременен компютър е изграден от милиарди малки транзисторипредставляващи полупроводникови устройства, които провеждат електрически ток, когато се прилага контролен сигнал.

Но колкото по-малък е транзисторът, толкова по-изразени са фалшивите ефекти и течове, които пречат на нормалната му работа и представляват пречка за създаването на още по-компактни и по-бързи устройства.

Тези фактори определят основната граница на миниатюризацията на размера на транзистора, така че силициевият транзистор по принцип не може да има дебелина повече от пет нанометра.

Физическата причина се крие във факта, че електрони, движещи се през полупроводник, губят енергията си просто защото тези заредени частици имат маса. И колкото по-висока е честотата на устройството, толкова по-голяма става загубата на енергия в него.

С намаляване на размера на елемента, въпреки че загубите на енергия под формата на топлина могат да бъдат намалени, влиянието на атомната структура не може да бъде предотвратено. На практика самата атомна структура започва да се превръща в пречка, тъй като размерът на елементите, постигнат до днес от 10 нанометра, е сравним по големина със само сто атома силиций.

Електроните заместват фотоните

Но какво ще стане, ако се опитате да използвате не ток, а светлина? В крайна сметка, фотоните, за разлика от електроните, нямат нито заряд, нито маса на покой и в същото време са най-бързите частици. Освен това техните потоци с различна дължина на вълната няма да се намесват взаимно по време на синхронна работа.

По този начин, с прехода към оптични технологии в областта на управлението на информацията, биха могли да се получат много предимства пред полупроводниците (с тежко заредени частици, движещи се през тях).

Информацията, изпратена с помощта на светлинен лъч, би могла да се обработва директно в процеса на нейното предаване и енергийните разходи не биха били толкова значителни, колкото когато се предават чрез движещ се електрически заряд. А паралелните изчисления биха били възможни чрез приложените вълни с различна дължина, а за оптичната система никаква електромагнитна намеса не би била основно безстрашна.

Очевидните предимства на оптичната концепция пред електрическата отдавна привличат вниманието на учените. Но днес изчислителната оптика остава до голяма степен хибридна, тоест съчетаваща електронен и оптичен подход.

Между другото Първият прототип оптичен компютър е създаден през 1990 г. от Bell Labs, а през 2003 г. Lenslet обявява първия търговски оптичен процесор EnLight256, способен да извърши до 8 000 000 000 операции с 8-битови числа в секунда (8 тераоп). Но въпреки вече предприетите стъпки в тази посока, въпросите все още остават в областта на оптичната електроника.

Един от тези въпроси беше следният. Логическите вериги предполагат отговора „1” или „0” в зависимост от това дали са се случили две събития - B и A.Но фотоните не се забелязват и реакцията на веригата трябва да зависи от два светлинни лъча.

Логиката на транзистора, работеща с токове, лесно прави това. И има много подобни въпроси. Следователно все още няма търговски атрактивни оптични устройства, базирани на оптична логика, въпреки че е имало някои разработки. Така през 2015 г. учени от лабораторията за нанофотоника и метаматериали на университета ITMO демонстрираха в експеримент възможността за производство ултра бърз оптичен транзисторсъстоящ се само от една силициева наночастица.

И до днес инженери и учени от много институции работят по проблема за замяната на силиция с алтернативи: те се опитват графен, молибден дисулфид, помислете за използването на завъртания на частици и разбира се - за светлината, като принципно нов начин за предаване и съхраняване на информация.

Светлинният аналог на транзистора е най-важното понятие, което се състои в това, че се нуждаете от устройство, което може да избира избирателно или да не предава фотони. Освен това е желателен сплитер, който може да разчупи лъча на части и да премахне определени леки компоненти от него.

Прототипите вече съществуват, но те имат проблем - размерите им са гигантски, приличат повече на транзистори от средата на миналия век, когато компютърната ера едва започваше. Намаляването на размера на такива транзистори и сплитери не е лесна задача.

Преодоляване на фундаментална пречка

И междувременно В началото на 2019 г. учени от лабораторията за хибридни фотоники Skolteha, заедно с колегите от IBM, все пак успяха да построят първия оптичен транзистор, способен да работи с честота 2 THz и в същото време изобщо не се нуждаят от охлаждане до абсолютна нула.

Резултатът е получен с помощта на най-сложната оптична система, която е създадена от дългата старателна работа на екипа. И сега можем да кажем, че фотонните процесори, които извършват операции със скоростта на светлината, по принцип са истински, толкова реални, колкото и оптичната комуникация.

Първата стъпка е направена! Създаден е миниатюрен оптичен транзистор, който не изисква охлаждане и е в състояние да работи хиляди пъти по-бързо, отколкото неговият електронен предшественик на полупроводници.

Както бе отбелязано по-горе, един от основните проблеми при създаването на елементи за леки компютри е, че фотоните не си взаимодействат помежду си и е изключително трудно да се контролира движението на светлинните частици. Учените обаче са открили, че проблемът може да бъде решен, като се прибягва до така наречените поляритони.

polariton - Една от наскоро създадените виртуални частици, като фотон и способна да проявява свойствата на вълните и частиците. Поляритонът включва три компонента: оптичен резонатор, състоящ се от двойка отражателни огледала, между които е затворена светлинна вълна, както и квантов кладенец. Квантовата ямка е представена от атом с електрод, въртящ се около него, способен да излъчва или поглъща квант светлина.

В първите експерименти кварципалният поляритон се показа в цялата си слава, показвайки, че може да се използва за създаване на транзистори и други логически елементи на леки компютри, но имаше един сериозен минус - работата беше възможна само при свръх ниски температури, близки до абсолютна нула.

Но учените са решили този проблем. Те научиха как да създават поляритони не в полупроводници, а в органични аналози на полупроводници, които запазват всички необходими свойства дори при стайна температура.

За ролята на такова вещество полипарафенилен - наскоро открит полимер, подобен на този, използван при производството на Kevlar и различни багрила.

Благодарение на специално устройство полипарафениленовите молекули могат дори да генерират специални зони вътре в себе си, които могат да изпълняват функцията на квантов кладенец на класически поляритон вътре в себе си.

Затворили филм от полипарафенилен между слоеве неорганични материали, учените са намерили начин да контролират състоянието на квантов кладенец, като принуждават два различни типа лазери и ги принуждават да излъчват фотони.

Експериментален прототип на транзистора демонстрира способността за записване на бързо превключване и усилване на светлинния сигнал с минимална консумация на енергия.

Три от тези транзистори вече позволиха на изследователите да се съберат първи логически осветителни телавъзпроизвеждане на операциите „И“ и „ИЛИ“. Резултатът от експеримента предполага, че пътят към сътворението леки компютри- икономичен, бърз и компактен - най-накрая отворен.