Optiske transistorer - Elektronikkens fremtid

Nesten alle teknologier, selv om de har en tendens til å utvikle seg, blir etter hvert foreldet. Dette mønsteret omkom ikke silisiumelektronikk. Det er lett å legge merke til at fremdriften de siste årene har avtatt betydelig og generelt endret retning for utviklingen.

Antallet transistorer i mikrobrikker dobler ikke lenger hvert annet år, som det var før. Og i dag øker datamaskinens ytelse ikke ved å øke driftsfrekvensen, men ved å øke antall kjerner i prosessoren, det vil si ved å utvide mulighetene for parallelle operasjoner.

Det er ingen hemmelighet at noen moderne datamaskiner er laget av milliarder av små transistorersom representerer halvlederenheter som leder elektrisk strøm når et styresignal påføres.

Men jo mindre transistoren er, jo mer uttalt er de falske effekter og lekkasjer som forstyrrer normal drift og utgjør et hinder for å lage enda mer kompakte og raskere enheter.

Disse faktorene bestemmer den grunnleggende grensen for miniatyriseringen av størrelsen på transistoren, så en silisiumtransistor, i prinsippet, kan ikke ha en tykkelse på mer enn fem nanometer.

Den fysiske årsaken ligger i det faktum at elektroner som beveger seg gjennom en halvleder, kaster bort energien sin bare fordi disse ladede partiklene har masse. Og jo høyere frekvensen til enheten er laget, jo større blir energitapet i den.

Med en reduksjon i elementets størrelse, selv om energitap i form av varme kan reduseres, kan ikke påvirkningen av atomstrukturen forhindres. I praksis begynner selve atomstrukturen å bli et hinder, siden elementstørrelsen oppnådd i dag på 10 nanometer er sammenlignbar i størrelsesorden med bare hundre silisiumatomer.

Elektroner bytter ut fotoner

Men hva hvis du prøver å bruke ikke strøm, men lys? Tross alt har fotoner, i motsetning til elektronene, verken ladningsmasse eller hvilemasse, og samtidig er de de raskeste partiklene. Dessuten vil deres strømmer med forskjellige bølgelengder ikke forstyrre hverandre under synkron drift.

Med overgangen til optiske teknologier innen informasjonsstyring kan man således få mange fordeler fremfor halvledere (med tunge ladede partikler som beveger seg gjennom dem).

Informasjon sendt ved hjelp av en lysstråle kunne behandles direkte i løpet av overføringen, og energiforbruket ville ikke være like betydelig som når det sendes med en elektrisk lading i bevegelse. Og parallelle beregninger ville blitt muliggjort av de påførte bølgene i forskjellige lengder, og for det optiske systemet ville ingen elektromagnetisk forstyrrelse være grunnleggende uredd.

De åpenbare fordelene med det optiske konseptet i forhold til det elektriske har lenge vakt forskerne oppmerksomhet. Men i dag forblir databehandlingsoptikk stort sett hybrid, det vil si å kombinere elektroniske og optiske tilnærminger.

Forresten Den første prototype-optoelektroniske datamaskinen ble opprettet i 1990 av Bell Labs, og i 2003 kunngjorde Lenslet den første kommersielle optiske prosessoren EnLight256, som var i stand til å utføre opptil 8 000 000 000 operasjoner på 8-bits heltal per sekund (8 teraop). Til tross for trinnene som allerede er tatt i denne retningen, forble spørsmål fortsatt innen optisk elektronikk.

Et av disse spørsmålene var som følger. Logiske kretsløp innebærer svaret “1” eller “0” avhengig av om to hendelser har skjedd - B og A.Men fotoner legger ikke merke til hverandre, og kretsens respons bør avhenge av to lysstråler.

Transistorlogikk, som fungerer med strømmer, gjør dette enkelt. Og det er mange lignende spørsmål. Derfor er det fremdeles ingen kommersielt attraktive optiske enheter basert på optisk logikk, selv om det har skjedd en viss utvikling. Så i 2015 demonstrerte forskere fra laboratoriet for nanofotonikk og metamaterialer fra ITMO University i et eksperiment muligheten for å produsere ultra rask optisk transistorbestående av bare en silisium-nanopartikkel.

Til i dag jobber ingeniører og forskere fra mange institusjoner med problemet med å erstatte silisium med alternativer: de prøver graphene, molybden disulfid, tenker å bruke partikkelsnurr og selvfølgelig - om lys, som en grunnleggende ny måte å overføre og lagre informasjon på.

Lysanalogen til transistoren er det viktigste konseptet, som består i det faktum at du trenger en enhet som selektivt kan passere eller ikke passere fotoner. I tillegg er en splitter ønskelig, som kan bryte strålen i deler og fjerne visse lyskomponenter fra den.

Prototyper finnes allerede, men de har et problem - størrelsene deres er gigantiske, de ligner mer på transistorer fra midten av forrige århundre, da datamaskinalderen bare var i ferd med å begynne. Å redusere størrelsen på slike transistorer og splittere er ikke en lett oppgave.

Grunnleggende hindring overvunnet

Og i mellomtiden Tidlig i 2019 klarte forskere fra Skolteha hybridfotonilaboratorium, sammen med kolleger fra IBM, å bygge den første optiske transistoren som er i stand til å operere med en frekvens på 2 THz og samtidig ikke krever noen avkjøling til absolutt null.

Resultatet ble oppnådd ved hjelp av det mest komplekse optiske systemet, som ble skapt av teamets lange, møysommelige arbeid. Og nå kan vi si at fotoniske prosessorer som utfører operasjoner med lysets hastighet, i prinsippet er ekte, like reelle som fiberoptisk kommunikasjon.

Det første trinnet er tatt! En miniatyr optisk transistor som ikke krever kjøling og som er i stand til å jobbe tusenvis av ganger raskere enn dens elektroniske halvlederforfader er opprettet.

Som nevnt ovenfor, var et av de grunnleggende problemene med å lage elementer for lette datamaskiner at fotoner ikke samhandler med hverandre, og det er ekstremt vanskelig å kontrollere bevegelsen av lyspartikler. Forskere har imidlertid funnet ut at problemet kan løses ved å ty til de såkalte polaritonene.

polariton - En av de nylig opprettede virtuelle partiklene, som et foton, og som er i stand til å vise egenskapene til bølger og partikler. Polaritonet inkluderer tre komponenter: en optisk resonator, bestående av et par refleksspeil, mellom hvilke en lysbølge er fengslet, samt en kvantebrønn. En kvantebrønn er representert av et atom med et elektron som roterer rundt den, og som er i stand til å avgi eller absorbere et kvantum lys.

I de første eksperimentene viste quasiparticle polariton seg i all sin prakt, og viste at det kan brukes til å lage transistorer og andre logiske elementer av lette datamaskiner, men det var ett alvorlig minus - arbeid var bare mulig ved ultralowstemperaturer i nærheten av absolutt null.

Men forskere har løst dette problemet. De lærte hvordan man lager polariton ikke i halvledere, men i organiske analoger av halvledere, som beholdt alle nødvendige egenskaper selv ved romtemperatur.

For rollen til et slikt stoff polyparafenylen - en nylig oppdaget polymer, lik den som ble brukt i produksjonen av Kevlar og en rekke fargestoffer.

Takket være en spesiell enhet kan polyparaphenylen-molekyler til og med generere spesielle soner i seg selv som kan oppfylle funksjonen til en kvantebrønn for et klassisk polariton i seg selv.

Etter å ha omsluttet en film av polyparaphenylen mellom lag med uorganiske materialer, har forskere funnet en måte å kontrollere tilstanden til en kvantebrønn ved å tvinge to forskjellige typer lasere og tvinge dem til å sende ut fotoner.

Den eksperimentelle prototypen til transistoren demonstrerte evnen til å registrere rask bytte og forsterkning av lyssignalet med minimalt energiforbruk.

Tre av disse transistorene har allerede tillatt forskere å sette sammen første logiske lysarmaturersom reproduserer operasjonene "OG" og "ELLER". Resultatet av eksperimentet antyder at veien til skapelsen lette datamaskiner- økonomisk, raskt og kompakt - endelig åpent.