Optiske transistorer - Fremtiden for elektronik

Næsten alle teknologier, selvom de har tendens til at udvikle sig, bliver til sidst forældede. Dette mønster omgås ikke siliciumelektronik. Det er let at bemærke, at dens fremskridt i de senere år er aftaget markant og generelt ændret retning for dens udvikling.

Antallet af transistorer i mikrochips fordobles ikke længere hvert andet år, som det var før. Og i dag øges computerens ydelse ikke ved at øge deres driftsfrekvens, men ved at øge antallet af kerner i processoren, det vil sige ved at udvide kapaciteterne til parallelle operationer.

Det er ingen hemmelighed, at enhver moderne computer er bygget af milliarder af små transistorerder repræsenterer halvlederenheder, der leder elektrisk strøm, når der styres et styresignal.

Men jo mindre transistoren er, jo mere udtalt er de falske effekter og lækager, der forstyrrer dens normale funktion, og udgør en hindring for at skabe endnu mere kompakte og hurtigere enheder.

Disse faktorer bestemmer den grundlæggende grænse for miniaturisering af størrelsen på transistoren, så en siliciumtransistor i princippet ikke kan have en tykkelse på mere end fem nanometer.

Den fysiske årsag ligger i det faktum, at elektroner, der bevæger sig gennem en halvleder, spilder deres energi simpelthen fordi disse ladede partikler har masse. Og jo højere frekvensen af ​​enheden foretages, jo større bliver energitabet i det.

Med et fald i elementets størrelse, selvom energitab i form af varme kan reduceres, kan påvirkningen af ​​atomstrukturen ikke forhindres. I praksis begynder selve atomstrukturen at blive en hindring, da elementstørrelsen opnået i dag på 10 nanometer er sammenlignelig i størrelsesorden med kun hundrede siliciumatomer.

Elektroner erstatter fotoner

Men hvad nu hvis du prøver at bruge ikke strøm, men lys? Når alt kommer til alt har fotoner, i modsætning til elektroner, hverken ladnings- eller hvilemasse, og på samme tid er de de hurtigste partikler. Derudover vil deres strømme ved forskellige bølgelængder ikke forstyrre hinanden under synkron drift.

Med overgangen til optiske teknologier inden for informationsstyring kunne man således få mange fordele i forhold til halvledere (med tunge, ladede partikler, der bevæger sig gennem dem).

Oplysninger, der sendes ved hjælp af en lysstråle, kunne behandles direkte i processen med transmission, og energiforbruget ville ikke være så væsentligt, som når det transmitteres med en elektrisk ladning i bevægelse. Og parallelle beregninger ville blive muliggjort af de anvendte bølger i forskellige længder, og for det optiske system ville ingen elektromagnetisk interferens være grundlæggende frygtløs.

De åbenlyse fordele ved det optiske koncept i forhold til det elektriske har længe været opmærksomme af forskere. Men i dag forbliver databehandlingsoptik stort set hybrid, det vil sige at kombinere elektroniske og optiske tilgange.

Forresten Den første prototype-optoelektroniske computer blev oprettet tilbage i 1990 af Bell Labs, og i 2003 annoncerede Lenslet den første kommercielle optiske processor EnLight256, der var i stand til at udføre op til 8.000.000.000 operationer på 8-bit heltal per sekund (8 teraop). Men trods de skridt, der allerede er taget i denne retning, forblev stadig spørgsmål inden for optisk elektronik.

Et af disse spørgsmål var som følger. Logiske kredsløb antyder svaret “1” eller “0” afhængigt af om to begivenheder har fundet sted - B og A.Men fotoner bemærker ikke hinanden, og kredsløbets respons skal afhænge af to lysstråler.

Transistorlogik, der fungerer med strømme, gør det let. Og der er mange lignende spørgsmål. Derfor er der stadig ingen kommercielt attraktive optiske enheder baseret på optisk logik, skønt der har været en vis udvikling. Så i 2015 demonstrerede forskere fra laboratoriet for nanofotonik og metamaterialer fra ITMO University i et eksperiment muligheden for at fremstille ultrahastig optisk transistorbestående af kun en silicium-nanopartikel.

Indtil i dag arbejder ingeniører og forskere fra mange institutioner med problemet med at erstatte silicium med alternativer: de prøver graphene, molybdæn disulfid, overvejer at bruge partikelspins og selvfølgelig - om lys, som en grundlæggende ny måde at transmittere og lagre information på.

Transistorens lysanalog er det vigtigste koncept, der består i det faktum, at du har brug for en enhed, der selektivt kan passere eller ikke passere fotoner. Derudover er en splitter ønskelig, som kan bryde strålen i dele og fjerne visse lette komponenter fra den.

Der er allerede prototyper, men de har et problem - deres størrelser er gigantiske, de ligner mere transistorer fra midten af ​​det forrige århundrede, da computeralderen lige var begyndt. At reducere størrelsen på sådanne transistorer og opdele er ikke en let opgave.

Grundlæggende hindring overvundet

Og i mellemtiden I begyndelsen af ​​2019 lykkedes det stadig forskere fra Skolteha hybrid fotoniklaboratorium sammen med kolleger fra IBM at bygge den første optiske transistor, der er i stand til at fungere med en frekvens på 2 THz og på samme tid ikke kræver nogen afkøling til absolut nul.

Resultatet blev opnået ved hjælp af det mest komplekse optiske system, som blev skabt af teamets lange omhyggelige arbejde. Og nu kan vi sige, at fotoniske processorer, der udfører operationer med lysets hastighed, i princippet er reelle, så reelle som fiberoptisk kommunikation.

Det første skridt er taget! En miniature optisk transistor, der ikke kræver afkøling og er i stand til at arbejde tusinder af gange hurtigere end dens elektroniske halvlederforfader er oprettet.

Som bemærket ovenfor var et af de grundlæggende problemer med at skabe elementer til lette computere, at fotoner ikke interagerer med hinanden, og det er ekstremt vanskeligt at kontrollere bevægelsen af ​​lyspartikler. Forskere har imidlertid fundet, at problemet kan løses ved at ty til de såkaldte polaritoner.

polariton - En af de nyligt oprettede virtuelle partikler, ligesom en foton, og som er i stand til at udvise egenskaberne ved bølger og partikler. En polariton inkluderer tre komponenter: en optisk resonator, bestående af et par refleksspejle, mellem hvilke en lysbølge er fængslet, samt en kvantebrønd. En kvantebrønd er repræsenteret af et atom med et elektron, der roterer rundt om det, og som er i stand til at udsende eller absorbere et kvante lys.

I de første eksperimenter viste quasiparticle polariton sig i al sin ære, hvilket viste, at det kan bruges til at skabe transistorer og andre logiske elementer i lette computere, men der var et alvorligt minus - arbejde var kun muligt ved ultralowstemperaturer i nærheden af ​​absolut nul.

Men forskere har løst dette problem. De lærte, hvordan man opretter polaritoner ikke i halvledere, men i organiske analoger af halvledere, som bibeholdt alle de nødvendige egenskaber, selv ved stuetemperatur.

For rollen som et sådant stof polyparaphenylen - en nyligt opdaget polymer, der ligner den, der blev brugt til produktion af Kevlar og en række farvestoffer.

Takket være en speciel enhed kan polyparaphenylenmolekyler endda frembringe specielle zoner i sig selv, der kan udføre funktionen af ​​en kvantebrønd i en klassisk polariton i sig selv.

Efter at have indkapslet en film af polyparaphenylen mellem lag af uorganiske materialer, har forskere fundet en måde at kontrollere en kvantumbrønds tilstand og tvinge den til at udsende fotoner ved hjælp af laservirkning af to forskellige typer.

En eksperimentel prototype af transistoren demonstrerede evnen til at registrere hurtig omskiftning og forstærkning af lyssignalet med minimalt energiforbrug.

Tre af disse transistorer har allerede tilladt forskere at samle første logiske lysarmaturergengivelse af operationerne "OG" og "ELLER". Resultatet af eksperimentet antyder, at vejen til oprettelse lette computere- økonomisk, hurtigt og kompakt - endelig åben.