Optiskie tranzistori - elektronikas nākotne

Gandrīz visas tehnoloģijas, kaut arī tām ir tendence attīstīties, galu galā noveco. Šis modelis nelika apiet silīcija elektroniku. Ir viegli pamanīt, ka pēdējos gados tā progress ir ievērojami palēninājies un kopumā mainījis attīstības virzienu.

Tranzistoru skaits mikročipos vairs divkāršojas ik pēc diviem gadiem, kā tas bija iepriekš. Un šodien datoru veiktspēja palielinās nevis palielinot to darbības frekvenci, bet palielinot procesora kodolu skaitu, tas ir, paplašinot paralēlu darbību iespējas.

Nav noslēpums, ka jebkurš mūsdienu dators ir veidots no miljardiem mazu tranzistoriattēlo pusvadītāju ierīces, kas vada elektrisko strāvu, kad tiek uzlikts vadības signāls.

Bet, jo mazāks ir tranzistors, jo izteiktāki ir nepatīkamie efekti un noplūdes, kas traucē tā normālu darbību un rada šķērsli vēl kompaktāku un ātrāku ierīču izveidošanai.

Šie faktori nosaka tranzistora lieluma miniatūrizācijas pamata robežu, tāpēc silīcija tranzistora biezums principā nevar būt lielāks par pieciem nanometriem.

Fiziskais iemesls slēpjas faktā, ka elektroni, kas pārvietojas pa pusvadītāju, izšķiež savu enerģiju tikai tāpēc, ka šīm lādētajām daļiņām ir masa. Un jo augstāka ir ierīces frekvence, jo lielāki enerģijas zudumi tajā kļūst.

Samazinoties elementa izmēram, lai arī enerģijas zudumus siltuma veidā var samazināt, atomu struktūras ietekmi nevar novērst. Praksē pati atomu struktūra sāk kļūt par šķērsli, jo šodien sasniegtais elementa lielums 10 nanometri ir salīdzināms lieluma secībā tikai ar simts silīcija atomiem.

Elektroni aizvieto fotonus

Bet ko darīt, ja jūs mēģināt izmantot nevis strāvu, bet gaismu? Galu galā fotoniem, atšķirībā no elektroniem, nav ne lādēšanas, ne atpūtas masas, un tajā pašā laikā tie ir visātrākās daļiņas. Turklāt to plūsmas dažādos viļņu garumos sinhronās darbības laikā netraucēs viena otru.

Tādējādi, pārejot uz optiskajām tehnoloģijām informācijas pārvaldības jomā, varētu gūt daudz priekšrocību salīdzinājumā ar pusvadītājiem (ar tiem cauri pārvietojas smagi lādētas daļiņas).

Informāciju, kas nosūtīta ar gaismas staru, varētu tieši apstrādāt tās pārraides procesā, un enerģijas izdevumi nebūtu tik lieli kā tad, ja to pārraida ar kustīgu elektrisko lādiņu. Paralēlos aprēķinus padarīs iespējami dažādu garumu pielietotie viļņi, un optiskajai sistēmai elektromagnētiskie traucējumi principiāli nebūtu bezbailīgi.

Acīmredzamās optiskās koncepcijas priekšrocības salīdzinājumā ar elektrisko jau sen ir piesaistījušas zinātnieku uzmanību. Bet šodien optikas skaitļošana lielākoties ir hibrīda, tas ir, apvienojot elektronisko un optisko pieeju.

Starp citu Pirmo optoelektroniskā datora prototipu 1990. gadā izveidoja Bell Labs, un 2003. gadā Lenslet paziņoja par pirmo komerciālo optisko procesoru EnLight256, kas spēj veikt līdz 8 000 000 000 operācijām ar 8 bitu veseliem skaitļiem sekundē (8 teraopi). Bet, neskatoties uz šajā virzienā jau veiktajiem soļiem, jautājumi joprojām palika optiskās elektronikas jomā.

Viens no šiem jautājumiem bija šāds. Loģiskās shēmas nozīmē atbildi “1” vai “0” atkarībā no tā, vai ir notikuši divi notikumi - B un A.Bet fotoni nepamana viens otru, un ķēdes reakcijai vajadzētu būt atkarīgai no diviem gaismas stariem.

Tranzistora loģika, kas darbojas ar straumēm, to viegli dara. Un ir daudz līdzīgu jautājumu. Tāpēc joprojām nav komerciāli pievilcīgu optisko ierīču, kuru pamatā ir optiskā loģika, kaut arī ir bijuši daži uzlabojumi. Tātad 2015. gadā ITMO universitātes nanofotonikas un metamateriālu laboratorijas zinātnieki eksperimentā demonstrēja ražošanas iespēju īpaši ātrs optiskais tranzistorskas sastāv tikai no vienas silīcija nanodaļiņas.

Līdz šai dienai daudzu iestāžu inženieri un zinātnieki strādā pie tā, lai aizstātu silīciju ar alternatīvām: viņi cenšas grafēns, molibdēna disulfīds, domā par daļiņu griešanos un, protams, par gaismu, kā principiāli jaunu informācijas pārraides un glabāšanas veidu.

Tranzistora gaismas analogs ir vissvarīgākais jēdziens, kas sastāv no tā, ka jums ir nepieciešama ierīce, kas selektīvi var izlaist vai neiziet fotonus. Turklāt ir vēlams sadalītājs, kas var sadalīt staru kūli daļās un noņemt no tā noteiktas gaismas sastāvdaļas.

Prototipi jau pastāv, taču viņiem ir problēma - to izmēri ir gigantiski, tie vairāk atgādina tranzistorus no pagājušā gadsimta vidus, kad datoru vecums bija tikai sākums. Šādu tranzistoru un sadalītāju lieluma samazināšana nav viegls uzdevums.

Pārvarēts šķērslis

Un tikmēr 2019. gada sākumā Skolteha hibrīdās fotonikas laboratorijas zinātniekiem kopā ar kolēģiem no IBM izdevās uzbūvēt pirmo optisko tranzistoru, kas spēj darboties ar 2 THz frekvenci. un tajā pašā laikā neprasa atdzesēšanu līdz absolūtai nullei.

Rezultāts tika iegūts, izmantojot vissarežģītāko optisko sistēmu, kuru izveidoja ilgstošais un rūpīgais komandas darbs. Un tagad mēs varam teikt, ka fotoniskie procesori, kas veic darbības ar gaismas ātrumu, principā ir reāli, tikpat reāli kā optiskās šķiedras sakari.

Pirmais solis ir sperts! Ir izveidots miniatūrs optiskais tranzistors, kam nav nepieciešama dzesēšana un kurš spēj strādāt tūkstošiem reižu ātrāk nekā tā elektroniskais pusvadītāju sencis.

Kā minēts iepriekš, viena no pamatproblēmām, veidojot elementus vieglajiem datoriem, bija tā, ka fotoni savstarpēji nedarbojas, un ir ārkārtīgi grūti kontrolēt gaismas daļiņu kustību. Tomēr zinātnieki ir secinājuši, ka problēmu var novērst, izmantojot tā dēvētos polaritonus.

Polaritons - Viena no nesen izveidotajām virtuālajām daļiņām, piemēram, fotons, un kas spēj parādīt viļņu un daļiņu īpašības. Polaritons sastāv no trim komponentiem: optiskā rezonatora, kas sastāv no reflektoru spoguļu pāra, starp kuriem ieslodzīts gaismas vilnis, kā arī kvantu urbuma. Kvantu iedobumu attēlo atoms ar ap to rotējošu elektronu, kas spēj izstarot vai absorbēt gaismas kvantu.

Pirmajos eksperimentos kvazdaļiņu polaritons parādīja sevi visā krāšņumā, parādot, ka to var izmantot, lai izveidotu tranzistorus un citus gaismas datoru loģiskos elementus, taču bija viens nopietns mīnuss - darbs bija iespējams tikai ultralodzes temperatūrā pie absolūtas nulles.

Bet zinātnieki šo problēmu ir atrisinājuši. Viņi iemācījās izveidot polaritonus nevis pusvadītājos, bet gan pusvadītāju organiskajos analogos, kas saglabāja visas nepieciešamās īpašības pat istabas temperatūrā.

Par šādas vielas lomu poliparafenilēns - nesen atklāts polimērs, līdzīgs tiem, ko izmanto Kevlara ražošanā, un dažādas krāsas.

Pateicoties īpašai ierīcei, poliparafenilēna molekulas sevī pat var radīt īpašas zonas, kuras pašas sevī var izpildīt klasiskā polaritona kvantu urbuma funkciju.

Noslēdzot poliparafenilēna plēvi starp neorganisko materiālu slāņiem, zinātnieki ir atraduši veidu, kā kontrolēt kvantu stāvokli, piespiežot divu dažādu veidu lāzerus un piespiežot tos izstarot fotonus.

Eksperimenta eksperimentālais prototips parādīja spēju reģistrēt gaismas signāla ātru ieslēgšanu un pastiprināšanu ar minimālu enerģijas patēriņu.

Trīs no šiem tranzistoriem jau ļāva pētniekiem salikt pirmie loģiskie apgaismes ķermeņireproducējot operācijas "UN" un "VAI". Eksperimenta rezultāts liek domāt par ceļu uz radīšanu gaismas datori- ekonomisks, ātrs un kompakts - beidzot atvērts.