Optické tranzistory - budúcnosť elektroniky

Takmer všetky technológie, aj keď majú tendenciu sa vyvíjať, sa nakoniec stanú zastarané. Tento vzorec neobišiel kremíkovú elektroniku. Je ľahké si všimnúť, že v posledných rokoch sa jeho pokrok výrazne spomalil a vo všeobecnosti zmenil smer jeho rozvoja.

Počet tranzistorov v mikročipoch sa už nezdvojnásobuje každé dva roky, ako tomu bolo predtým. Výkonnosť počítača sa dnes nezvyšuje zvyšovaním ich prevádzkovej frekvencie, ale zvyšovaním počtu jadier v procesore, to znamená rozširovaním možností paralelných operácií.

Nie je žiadnym tajomstvom, že akýkoľvek moderný počítač je vyrobený z miliárd malých tranzistorypredstavujúce polovodičové zariadenia, ktoré vedú elektrický prúd, keď sa použije riadiaci signál.

Čím je tranzistor menší, tým výraznejšie sú rušivé účinky a úniky, ktoré narúšajú jeho normálnu činnosť a predstavujú prekážku pri vytváraní ešte kompaktnejších a rýchlejších zariadení.

Tieto faktory určujú základnú medzu miniaturizácie veľkosti tranzistora, takže kremíkový tranzistor v zásade nemôže mať hrúbku väčšiu ako päť nanometrov.

Fyzický dôvod spočíva v tom, že elektróny pohybujúce sa v polovodičoch strácajú energiu jednoducho preto, že tieto nabité častice majú hmotu. Čím vyššia je frekvencia zariadenia, tým väčšia je strata energie v ňom.

S poklesom veľkosti prvku, hoci je možné znížiť energetické straty vo forme tepla, nie je možné zabrániť vplyvu atómovej štruktúry. V praxi sa samotná atómová štruktúra stáva prekážkou, pretože veľkosť prvku dosiahnutá dnes 10 nanometrov je porovnateľná v poradí s veľkosťou iba stovky atómov kremíka.

Elektróny nahrádzajú fotóny

Ale čo keď sa pokúsite použiť nie aktuálny, ale ľahký? Nakoniec, fotóny, na rozdiel od elektrónov, nemajú ani náboj, ani odpočinkovú hmotu, a zároveň sú najrýchlejšími časticami. Navyše ich toky pri rôznych vlnových dĺžkach nebudú vzájomne ovplyvňovať počas synchrónnej operácie.

S prechodom na optické technológie v oblasti správy informácií by sa dalo získať viac výhod oproti polovodičom (s nimi sa pohybujú ťažké nabité častice).

Informácie zasielané pomocou svetelného lúča by sa mohli spracovávať priamo v procese ich prenosu a výdavky na energiu by neboli také významné, ako keby boli prenášané pohybujúcim sa elektrickým nábojom. A paralelné výpočty by umožnili aplikované vlny rôznych dĺžok a pre optický systém by žiadna elektromagnetická interferencia nebola v zásade strachová.

Zjavné výhody optického konceptu oproti elektrickému konceptu už dlho priťahujú pozornosť vedcov. V súčasnosti však výpočtová optika zostáva do značnej miery hybridná, tj kombinuje elektronické a optické prístupy.

Mimochodom Prvý prototyp optoelektronického počítača bol vytvorený už v roku 1990 spoločnosťou Bell Labs av roku 2003 spoločnosť Lenslet oznámila prvý komerčný optický procesor EnLight256, ktorý je schopný vykonávať až 8 000 000 000 operácií pri 8-bitových celých číslach za sekundu (8 teraop). Napriek krokom, ktoré sa už podnikli týmto smerom, však stále pretrvávali otázky v oblasti optickej elektroniky.

Jedna z týchto otázok bola nasledovná. Logické obvody znamenajú odpoveď „1“ alebo „0“ v závislosti od toho, či sa vyskytli dve udalosti - B a A.Fotóny si však navzájom nevšimli a reakcia obvodu by mala závisieť od dvoch svetelných lúčov.

Tranzistorová logika, ktorá pracuje s prúdmi, to ľahko robí. A existuje veľa podobných otázok. Z tohto dôvodu stále neexistujú komerčne atraktívne optické zariadenia založené na optickej logike, hoci došlo k určitému vývoju. V roku 2015 vedci z laboratória nanofotoník a metamateriálov univerzity ITMO demonštrovali v experimente možnosť výroby ultra rýchly optický tranzistorpozostáva iba z jedného kremičitého nanočastice.

Dnes technici a vedci mnohých inštitúcií pracujú na probléme nahradenia kremíka alternatívami: snažia sa grafén, disulfid molybdénu, uvažujú o použití točení častíc a samozrejme o svetle ako o zásadne novom spôsobe prenosu a uchovávania informácií.

Ľahký analóg tranzistora je najdôležitejšou koncepciou, ktorá spočíva v tom, že potrebujete zariadenie, ktoré dokáže selektívne prechádzať alebo neprechádzať fotóny. Okrem toho je žiaduce splitter, ktorý môže lúč rozlomiť na časti a z neho odstrániť určité svetelné komponenty.

Prototypy už existujú, ale majú problém - ich veľkosť je obrovská, sú skôr tranzistormi z polovice minulého storočia, keď sa počítačový vek ešte len začínal. Zmenšenie veľkosti takýchto tranzistorov a rozbočovačov nie je ľahká úloha.

Základná prekážka prekonaná

A medzitým Začiatkom roku 2019 sa vedcom z hybridného fotonického laboratória Skolteha spolu s kolegami z IBM podarilo vybudovať prvý optický tranzistor schopný pracovať pri frekvencii 2 THz. a zároveň nevyžadujú žiadne ochladenie na absolútnu nulu.

Výsledok bol získaný s použitím najkomplexnejšieho optického systému, ktorý bol vytvorený dlhou starostlivou prácou tímu. A teraz môžeme povedať, že fotonické procesory, ktoré vykonávajú operácie rýchlosťou svetla, sú v zásade skutočné, rovnako skutočné ako komunikácia pomocou optických vlákien.

Urobil sa prvý krok! Vytvoril sa miniatúrny optický tranzistor, ktorý nevyžaduje chladenie a je schopný pracovať tisíckrát rýchlejšie ako jeho elektronický predchodca polovodičov.

Ako bolo uvedené vyššie, jedným zo základných problémov pri vytváraní prvkov pre ľahké počítače bolo to, že fotóny navzájom neinteragujú, a je extrémne ťažké riadiť pohyb svetelných častíc. Vedci však zistili, že problém sa dá vyriešiť uchýlením sa k takzvaným polaritónom.

polariton - Jedna z nedávno vytvorených virtuálnych častíc, napríklad fotónu, schopná prejavovať vlastnosti vĺn a častíc. Polaritón obsahuje tri komponenty: optický rezonátor pozostávajúci z páru odrazových zrkadiel, medzi ktorými je uväznená svetelná vlna, ako aj kvantová studňa. Kvantová jamka je predstavovaná atómom s elektrónom rotujúcim okolo nej, schopným emitovať alebo absorbovať kvantové svetlo.

V prvých experimentoch sa kvasipartikulárny polariton prejavil v celej svojej kráse, čo dokazuje, že sa dá použiť na vytvorenie tranzistorov a iných logických prvkov ľahkých počítačov, ale jedna vážna mínus - práca bola možná iba pri ultratenkých teplotách blízko absolútnej nuly.

Vedci však tento problém vyriešili. Naučili sa, ako vytvárať polaritóny nie v polovodičoch, ale v organických analógoch polovodičov, ktoré si zachovali všetky potrebné vlastnosti aj pri izbovej teplote.

Za úlohu takejto látky polyparaphenylene - nedávno objavený polymér podobný polymérom používaným pri výrobe Kevlaru a rôznych farbív.

Vďaka špeciálnemu zariadeniu môžu molekuly polyarafenylénu vo vnútri vytvárať dokonca špeciálne zóny, ktoré môžu vo vnútri plniť funkciu kvantovej studne klasického polaritónu.

Vedci uzavreli vrstvu polyparafenylénu medzi vrstvami anorganických materiálov a našli spôsob, ako kontrolovať stav kvantovej jamky a prinútiť ju, aby emitovala fotóny pomocou laserového pôsobenia dvoch rôznych typov.

Experimentálny prototyp tranzistora preukázal schopnosť zaznamenávať rýchle prepínanie a zosilňovanie svetelného signálu s minimálnou spotrebou energie.

Tri z týchto tranzistorov už výskumníkom umožnili zhromaždiť sa prvé logické svietidláreprodukciu operácií „A“ a „ALEBO“. Výsledok experimentu naznačuje, že cesta k stvoreniu ľahké počítače- hospodárny, rýchly a kompaktný - konečne otvorený.