ออปติคัลทรานซิสเตอร์ - อนาคตของอิเล็กทรอนิกส์

เทคโนโลยีเกือบทั้งหมดแม้ว่าพวกเขามีแนวโน้มที่จะพัฒนา แต่ในที่สุดก็ล้าสมัย รูปแบบนี้ไม่ผ่านอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ซิลิคอน มันง่ายที่จะสังเกตเห็นว่าในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาความคืบหน้าของมันช้าลงอย่างมากและโดยทั่วไปจะเปลี่ยนทิศทางของการพัฒนา

จำนวนทรานซิสเตอร์ในไมโครชิปไม่เพิ่มเป็นสองเท่าทุกสองปีเหมือนเมื่อก่อน และวันนี้ประสิทธิภาพของคอมพิวเตอร์เพิ่มขึ้นไม่ใช่โดยการเพิ่มความถี่ในการทำงาน แต่โดยการเพิ่มจำนวนคอร์ในโปรเซสเซอร์นั่นคือโดยการขยายขีดความสามารถสำหรับการทำงานแบบขนาน

ไม่มีความลับใด ๆ ที่คอมพิวเตอร์สมัยใหม่จะถูกสร้างขึ้นจากพันล้านขนาดเล็ก ทรานซิสเตอร์เป็นตัวแทนของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ดำเนินการกระแสไฟฟ้าเมื่อมีการใช้สัญญาณควบคุม

แต่ยิ่งทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กเท่าไรก็ยิ่งเด่นชัดมากขึ้นคือเอฟเฟกต์และการรั่วไหลที่รบกวนการทำงานปกติและเป็นอุปสรรคต่อการสร้างอุปกรณ์ขนาดกะทัดรัดและเร็วขึ้น

ปัจจัยเหล่านี้เป็นตัวกำหนดขนาดพื้นฐานของการย่อขนาดของทรานซิสเตอร์ดังนั้นโดยทั่วไปแล้วซิลิคอนซิลิคอนทรานซิสเตอร์จะไม่สามารถมีความหนามากกว่าห้านาโนเมตรได้

เหตุผลทางกายภาพอยู่ที่ข้อเท็จจริงที่ว่าอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านเซมิคอนดักเตอร์สูญเสียพลังงานเพียงเพราะอนุภาคที่มีประจุเหล่านี้มีมวล ยิ่งความถี่ของอุปกรณ์สูงขึ้นเท่าไหร่การสูญเสียพลังงานก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

ด้วยการลดขนาดขององค์ประกอบแม้ว่าการสูญเสียพลังงานในรูปของความร้อนสามารถลดลงได้ แต่อิทธิพลของโครงสร้างอะตอมไม่สามารถป้องกันได้ ในทางปฏิบัติโครงสร้างอะตอมของตัวเองเริ่มเป็นอุปสรรคเนื่องจากขนาดขององค์ประกอบที่ทำได้ในวันนี้ของ 10 นาโนเมตรเทียบเคียงได้กับขนาดของอะตอมซิลิคอนเพียงร้อย

อิเล็กตรอนกำลังเข้ามาแทนที่โฟตอน

แต่ถ้าคุณพยายามใช้ไม่เป็นปัจจุบัน แต่เป็นแสงสว่าง? ท้ายที่สุดโฟตอนซึ่งแตกต่างจากอิเล็กตรอนไม่มีประจุและมวลที่เหลือและในเวลาเดียวกันก็เป็นอนุภาคที่เร็วที่สุด นอกจากนี้การไหลของพวกเขาที่ความยาวคลื่นที่แตกต่างกันจะไม่รบกวนซึ่งกันและกันในระหว่างการทำงานแบบซิงโครนัส

ดังนั้นด้วยการเปลี่ยนไปใช้เทคโนโลยีออพติคอลในด้านการจัดการข้อมูลใคร ๆ ก็สามารถได้เปรียบกว่าเซมิคอนดักเตอร์

ข้อมูลที่ส่งโดยลำแสงสามารถประมวลผลได้โดยตรงในกระบวนการส่งผ่านและค่าใช้จ่ายด้านพลังงานจะไม่มากเท่ากับเมื่อส่งโดยประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ และการคำนวณแบบขนานจะเกิดขึ้นได้โดยคลื่นที่มีความยาวต่างกันและสำหรับระบบออพติคอลจะไม่มีการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้าโดยปราศจากความกลัว

ข้อได้เปรียบที่ชัดเจนของแนวคิดเรื่องแสงเหนือไฟฟ้านั้นได้ดึงดูดความสนใจของนักวิทยาศาสตร์มานาน แต่วันนี้คอมพิวเตอร์เลนส์ยังคงเป็นลูกผสมส่วนใหญ่นั่นคือการรวมวิธีการทางอิเล็กทรอนิกส์และแสง

โดยวิธีการ คอมพิวเตอร์ optoelectronic ต้นแบบเครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในปี 1990 โดย Bell Labs และในปี 2003 Lenslet ประกาศเปิดตัว EnLight256 ซึ่งเป็นหน่วยประมวลผลเชิงแสงเชิงพาณิชย์ตัวแรกที่มีความสามารถในการปฏิบัติงานสูงถึง 8,000,000,000 การดำเนินงานในจำนวนเต็ม 8 บิตต่อวินาที แต่แม้จะมีขั้นตอนที่ดำเนินไปในทิศทางนี้แล้ว แต่คำถามยังคงอยู่ในสาขาอิเล็กทรอนิกส์เชิงแสง

หนึ่งในคำถามเหล่านี้มีดังนี้ วงจรตรรกะหมายถึงคำตอบ“ 1” หรือ“ 0” ขึ้นอยู่กับว่ามีเหตุการณ์สองเหตุการณ์เกิดขึ้น - B และ Aแต่โฟตอนไม่ได้สังเกตซึ่งกันและกันและการตอบสนองของวงจรควรขึ้นอยู่กับแสงสองลำ

ตรรกะของทรานซิสเตอร์ทำงานกับกระแสได้ง่าย และมีคำถามที่คล้ายกันมากมาย ดังนั้นจึงยังไม่มีอุปกรณ์ออพติคอลที่น่าสนใจในเชิงพาณิชย์บนพื้นฐานของลอจิกออปติคัลแม้ว่าจะมีการพัฒนามาบ้าง ดังนั้นในปี 2015 นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการนาโนโปรโตนิกส์และ metamaterials ของ ITMO University ได้แสดงให้เห็นในการทดลองความเป็นไปได้ของการผลิต ออปติคัลทรานซิสเตอร์ที่เร็วมากประกอบด้วยอนุภาคนาโนซิลิคอนเพียงหนึ่ง

จนถึงทุกวันนี้วิศวกรและนักวิทยาศาสตร์ของหลาย ๆ สถาบันกำลังประสบปัญหาในการเปลี่ยนซิลิคอนด้วยทางเลือก: พวกเขากำลังพยายาม กราฟีนโมลิบดีนัมซัลไฟด์กำลังคิดเกี่ยวกับการใช้อนุภาคหมุนและแน่นอน - เกี่ยวกับแสงเป็นวิธีใหม่ในการส่งและจัดเก็บข้อมูล

อะนาล็อกแสงของทรานซิสเตอร์เป็นแนวคิดที่สำคัญที่สุดซึ่งประกอบด้วยความจริงที่ว่าคุณต้องการอุปกรณ์ที่สามารถเลือกผ่านหรือไม่ผ่านโฟตอน นอกจากนี้ยังมีตัวแยกสัญญาณซึ่งสามารถแบ่งลำแสงออกเป็นชิ้นส่วนและลบส่วนประกอบของแสงบางอย่างออก

ต้นแบบมีอยู่แล้ว แต่พวกเขามีปัญหา - ขนาดใหญ่มหึมาพวกเขาเป็นเหมือนทรานซิสเตอร์จากกลางศตวรรษที่แล้วเมื่ออายุคอมพิวเตอร์เพิ่งเริ่ม การลดขนาดของทรานซิสเตอร์และตัวแยกดังกล่าวไม่ใช่เรื่องง่าย

เอาชนะอุปสรรคพื้นฐาน

และในขณะเดียวกัน ในต้นปี 2562 นักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการโฟโตนิกส์โฟโตนิกส์ของ Skolteha ร่วมกับเพื่อนร่วมงานจาก IBM ยังคงสามารถสร้างทรานซิสเตอร์ออปติคอลตัวแรกที่สามารถทำงานที่ความถี่ 2 THz และในเวลาเดียวกันไม่ต้องการให้การระบายความร้อนเป็นศูนย์

ผลลัพธ์ที่ได้คือการใช้ระบบออพติคอลที่ซับซ้อนที่สุดซึ่งสร้างขึ้นจากการทำงานอย่างยาวนานของทีม และตอนนี้เราสามารถพูดได้ว่าตัวประมวลผลโทนิคที่ดำเนินการด้วยความเร็วแสงโดยทั่วไปแล้วเป็นจริงเหมือนการสื่อสารผ่านใยแก้วนำแสง

ขั้นตอนแรกถูกถ่ายแล้ว! ออปติคัลทรานซิสเตอร์ขนาดเล็กที่ไม่ต้องการความเย็นและสามารถทำงานได้เร็วกว่าพันเท่าของบรรพบุรุษเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้นหนึ่งในปัญหาพื้นฐานในการสร้างองค์ประกอบสำหรับคอมพิวเตอร์ขนาดเล็กคือโฟตอนไม่ได้มีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกันและเป็นการยากมากที่จะควบคุมการเคลื่อนที่ของอนุภาคแสง อย่างไรก็ตามนักวิทยาศาสตร์ได้พบว่าปัญหาสามารถแก้ไขได้โดยหันไปใช้โพลาไรตันที่เรียกว่า

polariton - หนึ่งในอนุภาคเสมือนที่เพิ่งสร้างขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้เช่นโฟตอนและสามารถแสดงคุณสมบัติของคลื่นและอนุภาค ขั้วประกอบด้วยสามองค์ประกอบ: ตัวสะท้อนแสงซึ่งประกอบด้วยกระจกสะท้อนแสงคู่หนึ่งซึ่งระหว่างนั้นจะถูกกักขังคลื่นแสงและควอนตัมดี หลุมควอนตัมจะถูกแสดงโดยอะตอมที่มีอิเล็กตรอนหมุนรอบตัวมันสามารถเปล่งหรือดูดซับควอนตัมของแสง

ในการทดลองครั้งแรกขั้ว quasiparticle แสดงให้เห็นในความรุ่งโรจน์ของมันแสดงให้เห็นว่ามันสามารถใช้ในการสร้างทรานซิสเตอร์และองค์ประกอบเชิงตรรกะอื่น ๆ ของคอมพิวเตอร์ที่มีแสง แต่มีงานลบร้ายแรงเพียงงานเดียวที่อุณหภูมิต่ำมากใกล้ศูนย์สัมบูรณ์

แต่นักวิทยาศาสตร์ได้แก้ปัญหานี้แล้ว พวกเขาเรียนรู้วิธีการสร้างโพลาไรซ์ไม่ได้อยู่ในเซมิคอนดักเตอร์ แต่ในอะนาล็อกอินทรีย์ของเซมิคอนดักเตอร์ซึ่งยังคงคุณสมบัติที่จำเป็นทั้งหมดไว้แม้ที่อุณหภูมิห้อง

สำหรับบทบาทของสารดังกล่าว polyparaphenylene - พอลิเมอร์ที่ค้นพบเมื่อเร็ว ๆ นี้คล้ายกับที่ใช้ในการผลิตเคฟล่าร์และสีย้อมต่าง ๆ

ต้องขอบคุณอุปกรณ์พิเศษโมเลกุลโพลีพาราฟฟีลีนสามารถสร้างโซนพิเศษภายในตัวเองที่สามารถตอบสนองการทำงานของหลุมควอนตัมของขั้วคลาสสิกภายในตัวเอง

นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีที่จะควบคุมสถานะของควอนตัมได้โดยการบังคับให้เลเซอร์สองชนิดแตกต่างกันและบังคับให้พวกมันปล่อยโฟตอนออกมา

ต้นแบบการทดลองของทรานซิสเตอร์แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการบันทึกการสลับอย่างรวดเร็วและการขยายสัญญาณแสงโดยใช้พลังงานน้อยที่สุด

สามของทรานซิสเตอร์เหล่านี้ได้อนุญาตให้นักวิจัยรวบรวม โคมไฟเชิงตรรกะแห่งแรกทำซ้ำการดำเนินการ "AND" และ "OR" ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเส้นทางสู่การสร้างสรรค์ คอมพิวเตอร์แสง- ประหยัดรวดเร็วและกะทัดรัด - เปิดท้ายที่สุด