Optische Transistoren - Die Zukunft der Elektronik

Fast alle Technologien, obwohl sie dazu neigen, sich zu entwickeln, werden schließlich veraltet. Dieses Muster umging die Siliziumelektronik nicht. Es ist leicht zu bemerken, dass sich seine Fortschritte in den letzten Jahren erheblich verlangsamt haben und allgemein die Richtung seiner Entwicklung geändert haben.

Die Anzahl der Transistoren in Mikrochips verdoppelt sich nicht mehr wie bisher alle zwei Jahre. Und heute steigt die Computerleistung nicht durch Erhöhen der Betriebsfrequenz, sondern durch Erhöhen der Anzahl der Kerne im Prozessor, dh durch Erweitern der Funktionen für den Parallelbetrieb.

Es ist kein Geheimnis, dass jeder moderne Computer aus Milliarden kleiner Computer besteht TransistorenDarstellen von Halbleiterbauelementen, die elektrischen Strom leiten, wenn ein Steuersignal angelegt wird.

Je kleiner der Transistor ist, desto ausgeprägter sind jedoch die Störeffekte und Undichtigkeiten, die den normalen Betrieb beeinträchtigen und ein Hindernis für die Herstellung noch kompakterer und schnellerer Geräte darstellen.

Diese Faktoren bestimmen die grundlegende Grenze für die Miniaturisierung der Größe des Transistors, so dass ein Siliziumtransistor im Prinzip keine Dicke von mehr als fünf Nanometern haben kann.

Der physikalische Grund liegt in der Tatsache, dass Elektronen, die sich durch einen Halbleiter bewegen, ihre Energie verschwenden, einfach weil diese geladenen Teilchen Masse haben. Und je höher die Frequenz des Geräts ist, desto größer wird der Energieverlust darin.

Mit einer Verringerung der Größe des Elements kann der Einfluss der Atomstruktur nicht verhindert werden, obwohl Energieverluste in Form von Wärme verringert werden können. In der Praxis wird die Atomstruktur selbst zu einem Hindernis, da die heute erreichte Elementgröße von 10 Nanometern in der Größenordnung mit nur hundert Siliziumatomen vergleichbar ist.

Elektronen ersetzen Photonen

Aber was ist, wenn Sie versuchen, nicht Strom, sondern Licht zu verwenden? Schließlich haben Photonen im Gegensatz zu Elektronen weder Ladung noch Ruhemasse und sind gleichzeitig die schnellsten Teilchen. Darüber hinaus stören sich ihre Flüsse bei verschiedenen Wellenlängen während des Synchronbetriebs nicht.

Mit dem Übergang zu optischen Technologien im Bereich des Informationsmanagements könnte man daher viele Vorteile gegenüber Halbleitern erzielen (durch die sich stark geladene Teilchen bewegen).

Informationen, die mittels eines Lichtstrahls gesendet werden, könnten direkt während ihrer Übertragung verarbeitet werden, und der Energieverbrauch wäre nicht so hoch wie bei der Übertragung durch eine sich bewegende elektrische Ladung. Und parallele Berechnungen würden durch die angelegten Wellen unterschiedlicher Länge ermöglicht, und für das optische System wäre keine elektromagnetische Interferenz grundsätzlich furchtlos.

Die offensichtlichen Vorteile des optischen Konzepts gegenüber dem elektrischen haben seit langem die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich gezogen. Die Computeroptik bleibt jedoch weitgehend hybride, dh sie kombiniert elektronische und optische Ansätze.

Übrigens Der erste optoelektronische Prototyp-Computer wurde bereits 1990 von Bell Labs entwickelt. 2003 kündigte Lenslet den ersten kommerziellen optischen Prozessor EnLight256 an, der bis zu 8.000.000.000 Operationen mit 8-Bit-Ganzzahlen pro Sekunde (8 Teraop) ausführen kann. Trotz der bereits unternommenen Schritte in diese Richtung blieben Fragen auf dem Gebiet der optischen Elektronik offen.

Eine dieser Fragen lautete wie folgt. Logische Schaltungen implizieren eine Antwort von "1" oder "0", abhängig davon, ob zwei Ereignisse aufgetreten sind - B und A.Photonen bemerken sich jedoch nicht und die Reaktion der Schaltung sollte von zwei Lichtstrahlen abhängen.

Die mit Strömen arbeitende Transistorlogik macht dies leicht. Und es gibt viele ähnliche Fragen. Daher gibt es immer noch keine kommerziell attraktiven optischen Vorrichtungen, die auf optischer Logik basieren, obwohl es einige Entwicklungen gegeben hat. So haben Wissenschaftler des Labors für Nanophotonik und Metamaterialien der ITMO-Universität im Jahr 2015 in einem Experiment die Möglichkeit der Herstellung demonstriert ultraschneller optischer Transistorbestehend aus nur einem Silizium-Nanopartikel.

Bis heute arbeiten Ingenieure und Wissenschaftler vieler Institutionen an dem Problem, Silizium durch Alternativen zu ersetzen: Sie versuchen es Graphen, Molybdändisulfid, denken über die Verwendung von Partikelspins und natürlich über Licht als grundlegend neue Art der Übertragung und Speicherung von Informationen nach.

Das Lichtanalog des Transistors ist das wichtigste Konzept, das darin besteht, dass Sie ein Gerät benötigen, das Photonen selektiv passieren kann oder nicht. Zusätzlich ist ein Splitter wünschenswert, der den Strahl in Teile zerlegen und bestimmte Lichtkomponenten daraus entfernen kann.

Prototypen existieren bereits, aber sie haben ein Problem - ihre Größen sind gigantisch, sie ähneln eher Transistoren aus der Mitte des letzten Jahrhunderts, als das Computerzeitalter gerade erst begann. Die Größe solcher Transistoren und Splitter zu reduzieren, ist keine leichte Aufgabe.

Grundlegendes Hindernis überwunden

Und in der Zwischenzeit Anfang 2019 gelang es Wissenschaftlern des Skolteha-Hybridphotoniklabors zusammen mit Kollegen von IBM, den ersten optischen Transistor zu bauen, der mit einer Frequenz von 2 THz betrieben werden kann und gleichzeitig keine Kühlung auf den absoluten Nullpunkt erforderlich.

Das Ergebnis wurde mit dem komplexesten optischen System erzielt, das durch die langwierige Arbeit des Teams entstanden ist. Und jetzt können wir sagen, dass photonische Prozessoren, die Operationen mit Lichtgeschwindigkeit ausführen, im Prinzip real sind, so real wie Glasfaserkommunikation.

Der erste Schritt ist getan! Es wurde ein optischer Miniaturtransistor entwickelt, der keine Kühlung benötigt und tausendmal schneller arbeiten kann als sein Vorfahr für elektronische Halbleiter.

Wie oben erwähnt, bestand eines der grundlegenden Probleme bei der Erzeugung von Elementen für Lichtcomputer darin, dass Photonen nicht miteinander interagieren und es äußerst schwierig ist, die Bewegung von Lichtteilchen zu steuern. Wissenschaftler haben jedoch herausgefunden, dass das Problem durch den Rückgriff auf die sogenannten Polaritonen angegangen werden kann.

Polariton - Eines der kürzlich geschaffenen virtuellen Teilchen, wie ein Photon, das die Eigenschaften von Wellen und Teilchen aufweisen kann. Das Polariton enthält drei Komponenten: einen optischen Resonator, der aus einem Paar von Reflektorspiegeln besteht, zwischen denen eine Lichtwelle eingeschlossen ist, sowie einen Quantentopf. Ein Quantentopf wird durch ein Atom dargestellt, um das sich ein Elektron dreht, das ein Lichtquant emittieren oder absorbieren kann.

In den ersten Experimenten zeigte sich das Quasiteilchenpolariton in seiner ganzen Pracht und zeigte, dass es zur Herstellung von Transistoren und anderen logischen Elementen von Lichtcomputern verwendet werden kann, aber es gab ein ernstes Minus - Arbeit war nur bei ultraniedrigen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt möglich.

Aber Wissenschaftler haben dieses Problem gelöst. Sie lernten, wie man Polaritonen nicht in Halbleitern, sondern in organischen Analoga von Halbleitern erzeugt, die auch bei Raumtemperatur alle notwendigen Eigenschaften beibehalten.

Für die Rolle eines solchen Stoffes Polyparaphenylen - ein kürzlich entdecktes Polymer, ähnlich dem bei der Herstellung von Kevlar und einer Vielzahl von Farbstoffen verwendeten.

Dank einer speziellen Vorrichtung können Polyparaphenylenmoleküle sogar spezielle Zonen in sich selbst erzeugen, die die Funktion einer Quantentopfwelle eines klassischen Polaritons in sich selbst erfüllen können.

Nachdem Wissenschaftler einen Film aus Polyparaphenylen zwischen Schichten anorganischer Materialien eingeschlossen haben, haben sie einen Weg gefunden, den Zustand eines Quantentopfs zu steuern, indem sie zwei verschiedene Lasertypen erzwingen und sie zur Emission von Photonen zwingen.

Der experimentelle Prototyp des Transistors zeigte die Fähigkeit, schnelles Schalten und Verstärken des Lichtsignals bei minimalem Energieverbrauch aufzuzeichnen.

Drei dieser Transistoren haben es Forschern bereits ermöglicht, zusammenzubauen erste logische LeuchtenWiedergabe der Operationen "UND" und "ODER". Das Ergebnis des Experiments legt nahe, dass der Weg zur Schöpfung leichte Computer- sparsam, schnell und kompakt - endlich offen.