Transistor Optik - Masa Depan Elektronik

Hampir semua teknologi, walaupun mereka cenderung berkembang, akhirnya menjadi usang. Corak ini tidak memintas elektronik silikon. Adalah mudah untuk menyedari bahawa dalam beberapa tahun kebelakangan ini kemajuannya semakin perlahan dan pada umumnya mengubah arah pembangunannya.

Bilangan transistor dalam mikrocip tidak lagi berganda setiap dua tahun, seperti yang berlaku sebelum ini. Dan hari ini, prestasi komputer meningkat bukan dengan meningkatkan kekerapan operasi mereka, tetapi dengan meningkatkan bilangan teras dalam pemproses, iaitu, dengan mengembangkan keupayaan untuk operasi selari.

Bukan rahsia lagi bahawa mana-mana komputer moden dibina daripada berbilion kecil transistormewakili peranti semikonduktor yang menjalankan arus elektrik apabila isyarat kawalan digunakan.

Tetapi transistor yang lebih kecil adalah, lebih jelas adalah kesan palsu dan kebocoran yang mengganggu operasi normalnya dan menjadi penghalang untuk mencipta peranti lebih padat dan lebih cepat.

Faktor-faktor ini menentukan had asas kepada pengaturcaraan saiz transistor, jadi transistor silikon, pada dasarnya, tidak boleh mempunyai ketebalan lebih dari lima nanometer.

Alasan fizikal terletak pada hakikat bahawa elektron bergerak melalui semikonduktor membuang tenaga mereka semata-mata kerana zarah-zarah yang dikenakan ini mempunyai massa. Dan semakin tinggi kekerapan peranti dibuat, semakin besar kehilangan tenaga di dalamnya.

Dengan penurunan saiz elemen, walaupun kehilangan tenaga dalam bentuk haba dapat dikurangkan, pengaruh struktur atom tidak dapat dicegah. Dalam praktiknya, struktur atom itu sendiri mula menjadi penghalang, kerana saiz elemen yang dicapai pada hari ini sebanyak 10 nanometer adalah sebanding dengan magnitud dengan hanya seratus atom silikon.

Elektron menggantikan foton

Tetapi bagaimana jika anda cuba menggunakan tidak semasa, tetapi cahaya? Lagipun, foton, tidak seperti elektron, tidak mempunyai caj atau massa bernafas, dan pada masa yang sama ia adalah zarah terpantas. Selain itu, aliran mereka pada jarak gelombang yang berbeza tidak akan mengganggu satu sama lain semasa operasi segerak.

Oleh itu, dengan peralihan kepada teknologi optik dalam bidang pengurusan maklumat, seseorang boleh mendapatkan banyak kelebihan ke atas semikonduktor (dengan zarah bermuatan yang bergerak melalui mereka).

Maklumat yang dihantar melalui rasuk cahaya boleh diproses secara langsung dalam proses transmisi, dan pengeluaran tenaga tidak akan banyak seperti ketika ditransmisikan oleh muatan elektrik yang bergerak. Dan perhitungan selari akan dibuat mungkin oleh gelombang terpakai panjang yang berlainan, dan bagi sistem optik, tiada gangguan elektromagnetik akan secara asasnya tidak berani.

Kelebihan jelas konsep optik ke atas elektrik telah lama menarik perhatian saintis. Tetapi hari ini, pengkomputeran optik masih sebahagian besarnya hibrid, iaitu, menggabungkan pendekatan elektronik dan optik.

By the way Komputer optoelektronik prototaip pertama dicipta semula pada tahun 1990 oleh Bell Labs, dan pada tahun 2003 Lenslet mengumumkan pemproses optik komersil pertama EnLight256, yang mampu melakukan sehingga 8.000.000.000 operasi pada 8 bit integer sesaat (8 teraop). Tetapi walaupun langkah-langkah telah diambil ke arah ini, soalan masih kekal dalam bidang elektronik optik.

Salah satu soalan ini adalah seperti berikut. Litar logik menyiratkan jawapan "1" atau "0" bergantung kepada sama ada dua peristiwa telah berlaku - B dan A.Tetapi foton tidak perhatikan antara satu sama lain, dan tindak balas litar harus bergantung kepada dua rasuk cahaya.

Logik transistor, beroperasi dengan arus, dengan mudah melakukan ini. Dan ada banyak soalan yang sama. Oleh itu, masih tiada peranti optik yang menarik secara komersial berdasarkan logik optik, walaupun terdapat beberapa perkembangan. Oleh itu, pada tahun 2015, para saintis dari makmal nanophotonics dan metamaterial Universiti ITMO menunjukkan dalam percubaan kemungkinan pembuatan transistor optik ultrafastyang terdiri daripada hanya satu nanopartikel silikon.

Sehingga hari ini, jurutera dan saintis dari banyak institusi mengusahakan masalah menggantikan silikon dengan alternatif: mereka cuba graphene, molibdenum disulfide, berfikir tentang menggunakan berputar dan zarah tentu saja - tentang cahaya, sebagai cara yang paling baru untuk menghantar dan menyimpan maklumat.

Analog cahaya transistor adalah konsep yang paling penting, yang terdiri daripada fakta bahawa anda memerlukan peranti yang dapat lulus selektif atau tidak melewati foton. Di samping itu, pembahagi adalah wajar, yang boleh memecahkan rasuk ke bahagian-bahagian dan mengeluarkan komponen cahaya tertentu daripadanya.

Prototaip sudah wujud, tetapi mereka mempunyai masalah - saiz mereka adalah raksasa, mereka lebih seperti transistor dari pertengahan abad yang lalu, ketika zaman komputer baru sahaja bermula. Mengurangkan saiz transistor dan pembahagi itu bukan satu tugas yang mudah.

Rintangan asas diatasi

Dan sementara itu Pada awal tahun 2019, saintis dari makmal photonics hibrid Skolteha, bersama-sama dengan rakan-rakan dari IBM, berjaya membina transistor optik pertama yang mampu beroperasi pada kekerapan 2 THz dan pada masa yang sama tidak memerlukan apa-apa penyejukan kepada sifar mutlak.

Hasilnya diperoleh dengan menggunakan sistem optik yang paling kompleks, yang dicipta oleh kerja keras yang panjang dari pasukan. Dan kini kita boleh mengatakan bahawa pemproses fotonik yang melakukan operasi pada kelajuan cahaya adalah, pada dasarnya, sebenarnya, seperti komunikasi serat optik.

Langkah pertama telah diambil! Transistor optik kecil yang tidak memerlukan penyejukan dan dapat bekerja ribuan kali lebih cepat daripada leluhur semikonduktor elektronik yang telah dibuat.

Seperti yang dinyatakan di atas, salah satu masalah asas dalam mewujudkan elemen untuk komputer ringan adalah bahawa foton tidak berinteraksi antara satu sama lain, dan sangat sukar untuk mengawal pergerakan zarah cahaya. Walau bagaimanapun, saintis telah mendapati bahawa masalah itu boleh ditangani dengan menggunakan polariton yang dipanggil.

Polariton - Salah satu zarah maya yang baru dicipta, seperti foton, dan mampu mempamerkan sifat-sifat gelombang dan zarah. Polariton termasuk tiga komponen: sebuah resonator optik, yang terdiri daripada sepasang cermin reflektor, di mana gelombang cahaya dipenjarakan, serta kuantum kuantum. Telaga kuantum diwakili oleh atom dengan elektron berputar di sekelilingnya, mampu mengeluarkan atau menyerap kuantum cahaya.

Dalam percubaan pertama, polariton quasiparticle menunjukkan dirinya dalam semua kemuliaannya, menunjukkan bahawa ia boleh digunakan untuk membuat transistor dan unsur logik lain komputer ringan, tetapi ada satu kerja minus yang serius hanya mungkin pada suhu ultralow berhampiran sifar mutlak.

Tetapi saintis telah menyelesaikan masalah ini. Mereka belajar membuat polarit bukan dalam semikonduktor, tetapi dalam analog organik semikonduktor, yang mengekalkan semua sifat yang diperlukan walaupun pada suhu bilik.

Untuk peranan bahan sedemikian polyparaphenylene - polimer yang baru ditemui, sama seperti yang digunakan dalam pengeluaran Kevlar dan pelbagai pewarna.

Terima kasih kepada peranti khas, molekul polyparaphenylene dapat menghasilkan zon khas di dalam diri mereka yang dapat melaksanakan fungsi kuantum kuantum polariton klasik di dalam diri mereka.

Setelah mengepung filem polyparaphenylene di antara lapisan bahan tak organik, saintis telah menemui cara untuk mengawal keadaan kuantum yang baik dengan memaksa dua jenis laser dan memaksa mereka memancarkan foton.

Prototaip eksperimen transistor menunjukkan keupayaan untuk merakam pensuisan dan penguatan isyarat cahaya dengan penggunaan tenaga yang minimum.

Tiga daripada transistor ini telah membolehkan para penyelidik untuk berhimpun lekapan lampu logik pertamamereproduksi operasi "DAN" dan "ATAU". Hasil eksperimen menunjukkan bahawa jalan menuju penciptaan komputer ringan- ekonomi, cepat dan padat - akhirnya terbuka.