Оптички транзистори - будућност електронике

Скоро све технологије, иако имају тенденцију развоја, на крају постају застареле. Овај образац није заобишао силицијумску електронику. Лако је приметити да је последњих година његов напредак знатно успорио и генерално променио правац свог развоја.

Број транзистора у микрочиповима се више не удвостручује сваке две године, као што је то био случај раније. Данас се перформансе рачунара повећавају не повећањем њихове радне фреквенције, већ повећањем броја језгара у процесору, односно проширивањем могућности за паралелне операције.

Није тајна да је било који модеран рачунар направљен од милијарди малих транзисторакоји представљају полуводичке уређаје који воде електричну струју када се примењује контролни сигнал.

Али што је транзистор мањи, то су израженији лажни ефекти и цурења која ометају његов нормалан рад и представљају препреку стварању још компактнијих и бржих уређаја.

Ови фактори одређују основно ограничење минијатуризације величине транзистора, тако да силиконски транзистор у принципу не може имати дебљину већу од пет нанометара.

Физички разлог лежи у чињеници да електрони који се крећу кроз полуводич троше своју енергију само зато што ове наелектрисане честице имају масу. И што је већа фреквенција уређаја, то већи губитак енергије постаје у њој.

Са смањењем величине елемента, иако се губици енергије у облику топлоте могу смањити, утицај атомске структуре се не може спречити. У пракси, сама атомска структура почиње да постаје препрека, јер је величина елемената постигнута до данас од 10 нанометара упоредива по реду величине са само стотину атома силицијума.

Електрони замењују фотоне

Али шта ако покушате да користите не струју, већ светлост? Уосталом, фотони, за разлику од електрона, немају ни масу наелектрисања нити мировања, а истовремено су најбрже честице. Штавише, њихови токови различитих таласних дужина неће ометати једни друге током синхроног рада.

На тај начин, преласком на оптичке технологије у пољу управљања информацијама, могло би се добити бројне предности у односу на полуводиче (са њима се крећу тешке наелектрисане честице).

Информације послате светлосним снопом могу се директно обрадити у процесу његовог преноса, а енергетски расходи не би били толико значајни као када се преносе покретним електричним набојем. И паралелно израчунавање омогућило би се примењени таласи различитих дужина, а за оптички систем ниједна електромагнетна интерференција не би била у основи неустрашива.

Очигледне предности оптичког концепта над електричним дуго су привлачиле пажњу научника. Али данас, рачунарска оптика остаје у великој мери хибридна, односно комбинујући електронски и оптички приступ.

Успут Први прототип оптоелектронски рачунар креирао је 1990. године компанија Белл Лабс, а 2003. године Ленслет је најавио први комерцијални оптички процесор ЕнЛигхт256, способан да изведе до 8.000.000.000 операција на 8-битним целим бројевима у секунди (8 тераоп). Али упркос већ предузетим корацима у овом смеру, питања су и даље остала у области оптичке електронике.

Једно од ових питања било је следеће. Логички склопови подразумијевају одговор „1“ или „0“, зависно од тога да ли су се догодила два догађаја - Б и А.Али фотони се не примећују и реакција кола треба да зависи од две светлосне зраке.

Логика транзистора, која ради са струјама, то лако постиже. И постоји пуно сличних питања. Стога, још увијек не постоје комерцијално атрактивни оптички уређаји засновани на оптичкој логици, мада је дошло до одређеног развоја. Тако су научници из лабораторије нанофотонике и метаматеријала Универзитета ИТМО у 2015. години у експерименту показали могућност производње ултрабрзи оптички транзисторкоји се састоји од само једног наночестица силицијума.

До данас, инжењери и научници многих институција раде на проблему замене силикона алтернативама: они покушавају графенМолибден дисулфид, размишља о кориштењу спинова честица и, наравно, о светлости, као суштински новом начину преноса и складиштења информација.

Аналог светлости транзистора је најважнији концепт који се састоји у чињеници да вам је потребан уређај који може селективно да прође или не прође фотоне. Поред тога, пожељан је разводник који може сломити сноп на делове и уклонити одређене светлосне компоненте из њега.

Прототипови већ постоје, али имају проблем - њихове величине су гигантске, више су налик транзисторима из средине прошлог века, када је доба рачунара тек почео. Смањење величине таквих транзистора и цепача није лак задатак.

Основна препрека је превазиђена

У међувремену Почетком 2019. научници из хибридне лабораторијске фотонике Сколтеха, заједно са колегама из ИБМ-а, успели су да направе први оптички транзистор који може да делује на фреквенцији од 2 ТХз и истовремено не захтева никакво хлађење до апсолутне нуле.

Резултат је добијен коришћењем најсложенијег оптичког система, који је створен дугим мукотрпним радом тима. И сада можемо рећи да су фотонски процесори који изводе операције брзином светлости у принципу стварни, стварни колико и оптичка комуникација.

Први корак је направљен! Направљен је минијатурни оптички транзистор који не захтева хлађење и способан је да ради хиљадама пута брже од претка електронског полуводича.

Као што је горе поменуто, један од основних проблема у стварању елемената за лагане рачунаре је тај што фотони не делују међусобно, и изузетно је тешко контролисати кретање честица светлости. Ипак, научници су открили да проблем може бити решен тако што ће се прибећи такозваним поларитонима.

Поларитон - Једна од недавно створених виртуелних честица, попут фотона, која може да покаже својства таласа и честица. Поларитон садржи три компоненте: оптички резонатор, који се састоји од пара огледала између којих је заробљен светлосни талас, као и квантни отвор. Квантно лежиште представљено је атомом који око њега ротира електрон, способан да емитује или апсорбује квант светлости.

У првим експериментима поларитон квази честица показао се у свој својој слави, показујући да се може користити за стварање транзистора и других логичких елемената светлосних рачунара, али постојао је један озбиљан минус - рад је био могућ само при изузетно ниским температурама близу апсолутне нуле.

Али научници су решили овај проблем. Научили су како да стварају поларитоне не у полуводичима, већ у органским аналогима полуводича, који су задржали сва потребна својства чак и на собној температури.

За улогу такве супстанце полипарафенилен - недавно откривени полимер, сличан онима који се користе у производњи Кевлара и разних боја.

Захваљујући посебном уређају, молекули полипарафенилена могу чак и да стварају посебне зоне унутар себе које могу да испуне функцију квантне јажице класичног поларитона у себи.

Научивши филм полипарафенилена између слојева неорганских материјала, научници су пронашли начин да контролишу стање квантне јажице форсирајући две различите врсте ласера ​​и приморавајући их да емитују фотоне.

Експериментални прототип транзистора показао је способност снимања брзог пребацивања и појачања светлосног сигнала уз минималну потрошњу енергије.

Три од ових транзистора већ су омогућила истраживачима да се саставе прва логичка расветарепродуковање операција „И“ и „ОР“. Резултат експеримента сугерише да је пут ка стварању лаки рачунари- економичан, брз и компактан - коначно отворен.