Optik Transistörler - Elektroniğin Geleceği

Hemen hemen tüm teknolojiler, gelişmeye eğilimli olmalarına rağmen, nihayetinde modası geçiyor. Bu desen silikon elektronikleri atlamamıştır. Son yıllarda ilerlemesinin önemli ölçüde yavaşladığını ve genel olarak gelişim yönünü değiştirdiğini fark etmek kolaydır.

Mikroçiplerdeki transistörlerin sayısı artık eskisi gibi iki yılda bir iki katına çıkmıyor. Ve bugün, bilgisayar performansı çalışma frekanslarını artırarak değil, işlemcideki çekirdek sayısını artırarak, yani paralel işlem yeteneklerini artırarak artmaktadır.

Herhangi bir modern bilgisayarın milyarlarca küçükten oluştuğu bir sır değil transistörlerbir kontrol sinyali uygulandığında elektrik akımı ileten yarı iletken cihazları temsil eder.

Ancak transistör ne kadar küçükse, normal çalışmasına müdahale eden ve daha kompakt ve daha hızlı cihazlar oluşturmak için bir engel oluşturan sahte efektler ve sızıntılar daha belirgin hale gelir.

Bu faktörler, transistörün boyutunun minyatürleştirilmesinde temel limiti belirler, bu nedenle bir silikon transistörün prensip olarak beş nanometreden fazla bir kalınlığı olamaz.

Fiziksel sebep, bir yarı iletken boyunca hareket eden elektronların enerjilerini sadece bu yüklü parçacıkların kütlesi olduğu için harcamasıdır. Ve cihazın frekansı ne kadar yüksek olursa, içindeki enerji kaybı o kadar büyük olur.

Elemanın boyutunda bir azalma ile, ısı biçimindeki enerji kayıpları azaltılabilse de, atomik yapının etkisi önlenemez. Pratikte, atomik yapının kendisi bir engel olmaya başlar, çünkü bugün 10 nanometre ile elde edilen eleman boyutu sadece yüz silikon atomu ile büyüklük sırasına göre karşılaştırılabilir.

Elektronlar fotonların yerini alıyor

Ama ya güncel değil, hafif kullanmaya çalışırsanız? Sonuçta, fotonlar, elektronların aksine, ne yük ne de dinlenme kütlesine sahiptir ve aynı zamanda en hızlı parçacıklardır. Ayrıca, farklı dalga boylarındaki akışları senkron çalışma sırasında birbirlerini etkilemez.

Bu nedenle, bilgi yönetimi alanındaki optik teknolojilere geçiş ile, yarı iletkenlere göre çok sayıda avantaj elde edilebilir (ağır yüklü parçacıklar içinden geçerek).

Bir ışık demeti ile gönderilen bilgiler doğrudan iletim sürecinde işlenebilir ve enerji harcamaları hareketli bir elektrik yükü ile iletildiği kadar önemli olmaz. Ve paralel hesaplamalar farklı uzunluklarda uygulanan dalgalar tarafından mümkün olacak ve optik sistem için hiçbir elektromanyetik girişim temelde korkusuz olmayacaktır.

Optik konseptin elektrikli olana göre bariz avantajları, bilim adamlarının dikkatini çekti. Ancak bugün, hesaplama optiği büyük ölçüde melez kalıyor, yani elektronik ve optik yaklaşımları birleştiriyor.

Bu arada İlk prototip optoelektronik bilgisayar 1990 yılında Bell Labs tarafından yaratıldı ve 2003 yılında Lenslet, saniyede 8 bit tamsayılarda (8 teraop) 8.000.000.000 işlem gerçekleştirebilen ilk ticari optik işlemci EnLight256'yı duyurdu. Ancak bu yönde atılan adımlara rağmen, optik elektronik alanında hala sorular kaldı.

Bu sorulardan biri şöyleydi. Mantıksal devreler, B ve A olmak üzere iki olayın gerçekleşmesine bağlı olarak “1” veya “0” cevabını ifade eder.Ancak fotonlar birbirini fark etmez ve devrenin yanıtı iki ışık huzmesine bağlı olmalıdır.

Transistör mantığı, akımlarla çalışır, bunu kolayca yapar. Ve benzer birçok soru var. Bu nedenle, bazı gelişmeler olmasına rağmen, optik mantığa dayanan ticari olarak çekici bir optik cihaz yoktur. Böylece, 2015 yılında, ITMO Üniversitesi nanofotonik ve metamalzemeler laboratuvarından bilim adamları, bir deneyde üretim olasılığını gösterdi ultra hızlı optik transistörsadece bir silikon nanoparçacıktan oluşur.

Bugüne kadar, birçok kurumun mühendisleri ve bilim adamları, silikonun alternatiflerle değiştirilmesi sorunu üzerinde çalışıyorlar: grafenmolibden disülfür, parçacık spinleri ve elbette ışık hakkında bilgi aktarmanın ve depolamanın temel olarak yeni bir yolu olarak düşünüyorlar.

Transistörün hafif analogu, fotonları seçici olarak geçirebilen veya geçemeyen bir cihaza ihtiyacınız olması gerçeğinden oluşan en önemli kavramdır. Ek olarak, kirişi parçalara ayırabilen ve bazı hafif bileşenleri ondan çıkarabilen bir ayırıcı arzu edilir.

Prototipler zaten var, ancak bir problemleri var - boyutları devasa, daha çok bilgisayar çağının yeni başladığı geçen yüzyılın ortalarından transistörlere benziyorlar. Bu tür transistörlerin ve ayırıcıların boyutlarını azaltmak kolay bir iş değildir.

Temel engel aşımı

Ve bu arada 2019'un başlarında, Skolteha hibrid fotonik laboratuvarından bilim adamları, IBM'den meslektaşları ile birlikte, yine de 2 THz frekansında çalışabilen ilk optik transistörü kurmayı başardılar ve aynı zamanda mutlak sıfıra kadar soğutma gerektirmez.

Sonuç, ekibin uzun özenli çalışmasıyla oluşturulan en karmaşık optik sistem kullanılarak elde edildi. Ve şimdi ışık hızında işlem yapan fotonik işlemcilerin prensipte fiber optik iletişim kadar gerçek olduğunu söyleyebiliriz.

İlk adım atıldı! Soğutma gerektirmeyen ve elektronik yarı iletken atasının oluşturulduğundan binlerce kat daha hızlı çalışabilen minyatür bir optik transistör.

Yukarıda belirtildiği gibi, hafif bilgisayarlar için elemanlar oluşturmanın temel sorunlarından biri, fotonların birbirleriyle etkileşime girmemesi ve hafif parçacıkların hareketini kontrol etmenin son derece zor olmasıdır. Bununla birlikte, bilim adamları sorunun polarytonlara başvurarak ele alınabileceğini bulmuşlardır.

polariton - Yakın zamanda oluşturulan bir foton gibi sanal parçacıklardan biri ve dalgaların ve parçacıkların özelliklerini gösterebilme. Polariton üç bileşen içerir: aralarında bir ışık dalgasının hapsedildiği bir çift reflektör aynasından oluşan bir optik rezonatör ve bir kuantum kuyusu. Bir kuantum kuyusu, etrafında dönen bir elektron bulunan ve bir kuantum ışığı yayabilen veya emebilen bir atomla temsil edilir.

İlk deneylerde, quasiparticle polariton tüm ihtişamıyla kendini gösterdi, ışık bilgisayarlarının transistörlerini ve diğer mantıksal öğelerini oluşturmak için kullanılabileceğini gösterdi, ancak ciddi bir eksi vardı - iş sadece mutlak sıfıra yakın ultra düşük sıcaklıklarda mümkün oldu.

Ancak bilim adamları bu sorunu çözdüler. Yarı iletkenlerde değil, oda sıcaklığında bile gerekli tüm özellikleri koruyan yarı iletkenlerin organik analoglarında polariton oluşturmayı öğrendiler.

Böyle bir maddenin rolü için poliparafenilen - Kevlar ve çeşitli boyaların üretiminde kullanılanlara benzer yeni keşfedilen bir polimer.

Özel bir cihaz sayesinde, poliparafenilen molekülleri kendi içlerinde bir kuantum kuyusunun kuantum kuyusunun işlevini yerine getirebilecek özel bölgeler bile üretebilirler.

İnorganik malzeme tabakaları arasında bir poliparafenilen filmi kuşatan bilim adamları, bir kuantum kuyusunun durumunu kontrol etmenin ve iki farklı tipte lazerler kullanarak foton yaymaya zorlamanın bir yolunu buldular.

Transistörün deneysel bir prototipi, ışık sinyalinin en az enerji tüketimi ile hızlı anahtarlanmasını ve amplifikasyonunu kaydetme yeteneğini gösterdi.

Bu transistörlerden üçü zaten araştırmacıların ilk mantıksal aydınlatma armatürleri"VE" ve "VEYA" işlemlerinin çoğaltılması. Deneyin sonucu, yaratılış yolunun hafif bilgisayarlar- ekonomik, hızlı ve kompakt - nihayet açık.