Transitor quang - Tương lai của điện tử

Hầu như tất cả các công nghệ, mặc dù chúng có xu hướng phát triển, cuối cùng trở nên lỗi thời. Mô hình này đã không bỏ qua thiết bị điện tử silicon. Thật dễ dàng để nhận thấy rằng trong những năm gần đây, tiến độ của nó đã chậm lại đáng kể và thường thay đổi hướng phát triển của nó.

Số lượng bóng bán dẫn trong vi mạch không còn tăng gấp đôi sau mỗi hai năm, như trước đây. Và ngày nay, hiệu suất máy tính đang tăng không phải bằng cách tăng tần số hoạt động của chúng, mà bằng cách tăng số lượng lõi trong bộ xử lý, nghĩa là bằng cách mở rộng khả năng cho các hoạt động song song.

Không có gì bí mật rằng bất kỳ máy tính hiện đại nào cũng được chế tạo từ hàng tỷ nhỏ bóng bán dẫnđại diện cho các thiết bị bán dẫn dẫn dòng điện khi tín hiệu điều khiển được áp dụng.

Nhưng bóng bán dẫn càng nhỏ thì càng rõ rệt là các hiệu ứng giả và rò rỉ gây cản trở hoạt động bình thường của nó, và tạo thành một trở ngại trong việc tạo ra các thiết bị nhỏ gọn hơn và nhanh hơn.

Các yếu tố này xác định giới hạn cơ bản trong việc thu nhỏ kích thước của bóng bán dẫn, do đó, một bóng bán dẫn silicon, về nguyên tắc, không thể có độ dày hơn năm nanomet.

Lý do vật lý nằm ở chỗ các electron di chuyển qua chất bán dẫn lãng phí năng lượng của chúng đơn giản chỉ vì những hạt tích điện này có khối lượng. Và tần số của thiết bị được tạo ra càng cao thì tổn thất năng lượng trong thiết bị càng lớn.

Với sự giảm kích thước của nguyên tố, mặc dù tổn thất năng lượng dưới dạng nhiệt có thể giảm, nhưng ảnh hưởng của cấu trúc nguyên tử không thể ngăn chặn được. Trong thực tế, cấu trúc nguyên tử tự nó bắt đầu trở thành một trở ngại, vì kích thước nguyên tố đạt được ngày nay là 10 nanomet tương đương với thứ tự cường độ chỉ với một trăm nguyên tử silicon.

Electron đang thay thế photon

Nhưng nếu bạn cố gắng sử dụng không phải hiện tại, mà là ánh sáng? Xét cho cùng, các photon, không giống như các electron, không có điện tích cũng như khối lượng nghỉ, đồng thời chúng là các hạt nhanh nhất. Hơn nữa, dòng chảy của chúng ở các bước sóng khác nhau sẽ không can thiệp lẫn nhau trong quá trình hoạt động đồng bộ.

Do đó, với sự chuyển đổi sang các công nghệ quang học trong lĩnh vực quản lý thông tin, người ta có thể có được nhiều lợi thế hơn các chất bán dẫn (với các hạt tích điện nặng di chuyển qua chúng).

Thông tin được gửi bằng chùm sáng có thể được xử lý trực tiếp trong quá trình truyền đi và chi phí năng lượng sẽ không đáng kể như khi truyền qua điện tích chuyển động. Và các tính toán song song sẽ được thực hiện nhờ các sóng ứng dụng có độ dài khác nhau và đối với hệ thống quang học, không có nhiễu điện từ nào về cơ bản là không sợ hãi.

Những lợi thế rõ ràng của khái niệm quang học so với điện từ lâu đã thu hút sự chú ý của các nhà khoa học. Nhưng ngày nay, quang học điện toán vẫn chủ yếu là lai, nghĩa là kết hợp các phương pháp điện tử và quang học.

Nhân tiện Máy tính quang điện tử nguyên mẫu đầu tiên được tạo ra vào năm 1990 bởi Bell Labs và năm 2003, Lenslet đã công bố bộ xử lý quang thương mại đầu tiên EnLight256, có khả năng thực hiện tới 8.000.000.000 hoạt động trên số nguyên 8 bit mỗi giây (8 teraop). Nhưng mặc dù các bước đã được thực hiện theo hướng này, các câu hỏi vẫn còn trong lĩnh vực điện tử quang học.

Một trong những câu hỏi như sau. Các mạch logic ngụ ý câu trả lời 1 hoặc 1 0 tùy thuộc vào việc hai sự kiện đã xảy ra - B và A.Nhưng các photon không chú ý lẫn nhau và phản ứng của mạch nên phụ thuộc vào hai chùm sáng.

Transitor logic, hoạt động với dòng điện, dễ dàng thực hiện điều này. Và có rất nhiều câu hỏi tương tự. Do đó, vẫn chưa có thiết bị quang học hấp dẫn dựa trên logic quang học, mặc dù đã có một số phát triển. Vì vậy, vào năm 2015, các nhà khoa học từ phòng thí nghiệm nanophotonics và siêu vật liệu của Đại học ITMO đã chứng minh trong một thí nghiệm khả năng sản xuất bóng bán dẫn quang cực nhanhchỉ bao gồm một hạt nano silicon.

Cho đến ngày nay, các kỹ sư và nhà khoa học của nhiều tổ chức đang nghiên cứu vấn đề thay thế silicon bằng các lựa chọn thay thế: họ đang cố gắng graphene, molybdenum disulfide, nghĩ về việc sử dụng spin hạt và tất nhiên - về ánh sáng, như một cách mới về cơ bản để truyền và lưu trữ thông tin.

Tương tự ánh sáng của bóng bán dẫn là khái niệm quan trọng nhất, bao gồm trong thực tế là bạn cần một thiết bị có thể vượt qua có chọn lọc hoặc không vượt qua photon. Ngoài ra, một bộ chia là mong muốn, có thể phá vỡ chùm tia thành các bộ phận và loại bỏ các thành phần ánh sáng nhất định khỏi nó.

Đã có các nguyên mẫu, nhưng chúng có một vấn đề - kích thước của chúng là khổng lồ, chúng giống như các bóng bán dẫn từ giữa thế kỷ trước, khi thời đại máy tính chỉ mới bắt đầu. Giảm kích thước của các bóng bán dẫn và bộ chia như vậy không phải là một nhiệm vụ dễ dàng.

Trở ngại cơ bản vượt qua

Và trong khi đó Đầu năm 2019, các nhà khoa học từ phòng thí nghiệm quang tử lai Skolteha, cùng với các đồng nghiệp của IBM, đã chế tạo được bóng bán dẫn quang đầu tiên có khả năng hoạt động ở tần số 2 THz và đồng thời không yêu cầu bất kỳ sự làm mát nào đến độ không tuyệt đối.

Kết quả thu được bằng cách sử dụng hệ thống quang học phức tạp nhất, được tạo ra bởi công việc khó khăn lâu dài của nhóm. Và bây giờ chúng ta có thể nói rằng các bộ xử lý quang tử thực hiện các hoạt động ở tốc độ ánh sáng, về nguyên tắc, là thực, giống như truyền thông sợi quang.

Bước đầu tiên đã được thực hiện! Một bóng bán dẫn quang thu nhỏ không cần làm mát và có thể hoạt động nhanh hơn hàng ngàn lần so với tổ tiên bán dẫn điện tử của nó đã được tạo ra.

Như đã lưu ý ở trên, một trong những vấn đề cơ bản trong việc tạo ra các yếu tố cho máy tính ánh sáng là các photon không tương tác với nhau và rất khó kiểm soát sự chuyển động của các hạt ánh sáng. Tuy nhiên, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng vấn đề có thể được giải quyết bằng cách dùng đến cái gọi là các cực.

Polariton - Một trong những hạt ảo được tạo gần đây, giống như một photon và có khả năng thể hiện các tính chất của sóng và hạt. Một phân cực bao gồm ba thành phần: một bộ cộng hưởng quang, bao gồm một cặp gương phản xạ, giữa đó một sóng ánh sáng bị giam cầm, cũng như một giếng lượng tử. Một giếng lượng tử được đại diện bởi một nguyên tử với một electron quay xung quanh nó, có khả năng phát ra hoặc hấp thụ một lượng tử ánh sáng.

Trong các thí nghiệm đầu tiên, phân cực quasiparticle cho thấy tất cả vinh quang của nó, cho thấy rằng nó có thể được sử dụng để tạo ra các bóng bán dẫn và các yếu tố logic khác của máy tính ánh sáng, nhưng có một điểm trừ nghiêm trọng - chỉ có thể làm việc ở nhiệt độ cực thấp gần bằng không.

Nhưng các nhà khoa học đã giải quyết vấn đề này. Họ đã học cách tạo ra các neutiton không phải trong chất bán dẫn, mà là các chất tương tự hữu cơ của chất bán dẫn, giữ lại tất cả các tính chất cần thiết ngay cả ở nhiệt độ phòng.

Đối với vai trò của một chất như vậy polyparaphenylene - một loại polymer được phát hiện gần đây, tương tự như loại được sử dụng trong sản xuất Kevlar và nhiều loại thuốc nhuộm.

Nhờ một thiết bị đặc biệt, các phân tử polyparaphenylene thậm chí có thể tạo ra các vùng đặc biệt bên trong bản thân chúng có thể thực hiện chức năng của một giếng lượng tử của một phân cực cổ điển bên trong chính chúng.

Đã bao bọc một màng polyparaphenylene giữa các lớp vật liệu vô cơ, các nhà khoa học đã tìm ra cách kiểm soát trạng thái của giếng lượng tử bằng cách buộc hai loại laser khác nhau và buộc chúng phát ra photon.

Một nguyên mẫu thử nghiệm của bóng bán dẫn đã chứng minh khả năng ghi lại chuyển đổi nhanh và khuếch đại tín hiệu ánh sáng với mức tiêu thụ năng lượng tối thiểu.

Ba trong số các bóng bán dẫn này đã cho phép các nhà nghiên cứu lắp ráp thiết bị chiếu sáng logic đầu tiênsao chép các hoạt động "VÀ" và "HOẶC". Kết quả của thí nghiệm cho thấy con đường sáng tạo máy tính nhẹ- kinh tế, nhanh chóng và nhỏ gọn - cuối cùng đã mở.