Оптические транзисторы — будущее электроники

Практически все технологии, хотя и имеют свойство развиваться, в конце концов устаревают. Не обошла данная закономерность и кремниевую электронику. Легко заметить, что в последнее время ее прогресс существенно замедлился и вообще изменил направление своего развития.

Количество транзисторов в микросхемах уже не удваивается каждые два года, как это было раньше. И сегодня производительность компьютеров наращивается отнюдь не за счет повышения их рабочей частоты, а благодаря увеличению количества ядер в процессоре, то есть путем расширения возможностей для параллельно выполняемых операций.

Ни для кого не секрет, что любой современный компьютер построен из миллиардов маленьких транзисторов , представляющих собой полупроводниковые устройства, проводящие электрический ток при подаче управляющего сигнала.

Но чем меньше размером транзистор — тем выраженнее паразитные эффекты и утечки, мешающие его нормальной работе, и представляющие собой препятствие для создания еще более компактных и более быстрых в работе устройств.

Данные факторы определяют принципиальный предел на пути миниатюризации размера транзистора, поэтому кремниевый транзистор в принципе не может иметь толщину более пяти нанометров.

Физическая причина кроется в том, что движущиеся через полупроводник электроны растрачивают свою энергию просто потому, что данные заряженные частицы обладают массой. И чем выше делается частота прибора — тем большими становятся потери энергии в нем.

С уменьшением размера элемента, потери энергии в форме тепла хотя и удается уменьшить, но предотвратить влияние атомарной структуры не удается. На практике атомарная структура сама начинает становиться помехой, поскольку достигнутый на сегодня размер элемента в 10 нанометров по порядку величин сопоставим всего с сотней атомов кремния.

На смену электронам — фотоны

Но что если попробовать использовать не ток, а свет? Ведь фотоны, в отличие от электронов, не обладают ни зарядом, ни массой покоя, при этом являются самыми быстрыми частицами. К тому же их потоки при разных длинах волн не будут мешать друг другу при синхронной работе.

Таким образом, с переходом на оптические технологии в сфере управления информацией можно было бы получить множество преимуществ перед полупроводниками (с движущимися через них тяжелыми заряженными частицами).

Информация, посылаемая посредством светового луча могла бы обрабатываться прямо в процессе ее передачи, а расходы энергии не были бы столь существенными, как при передаче посредством движущегося электрического заряда. А проводить параллельные вычисления позволили бы применяемые волны разной длины, причем для оптической системы были бы принципиально нестрашны никакие электромагнитные наводки.

Явные преимущества оптической концепции перед электрической давно притягивают внимание ученых. Но сегодня вычислительная оптика остается по большому счету гибридной, то есть сочетающей в себе электронный и оптический подходы.

Кстати, первый прототип оптоэлектронной ЭВМ был создан еще в 1990 году компанией Bell Labs, а 2003 году компания Lenslet анонсировала первый коммерческий оптический процессор EnLight256, способный производить до 8000000000000 операций над 8-битными целыми в секунду (8 тераоп). Но несмотря на уже сделанные шаги в этом направлении, в области оптической электроники до сих пор оставались вопросы.

Один из таких вопросов заключался в следующем. Логические схемы подразумевают ответ «1» или «0» в зависимости от того, произошли ли два события — Б и А. Но фотоны не замечают друг друга, а ведь ответ схемы должен зависеть от двух световых пучков.

Транзисторная логика, оперирующая токами, легко проделывает подобное. И похожих вопросов масса. Поэтому коммерчески привлекательных оптических устройств на базе оптической логики до сих пор не было, хотя имелись некоторые наработки. Так, в 2015 году ученые из лаборатории нанофотоники и метаматериалов Университета ИТМО продемонстрировали в эксперименте возможность изготовления сверхбыстрого оптического транзистора , состоящего всего из одной кремниевой наночастицы.

По сей день инженеры и ученые многих учреждений трудятся над проблемой замены кремния на альтернативы: пробуют графен , дисульфид молибдена, задумываются об использовании спинов частиц и конечно — о свете, как о принципиально новом способе передачи и хранения информации.

Световой аналог транзистора — принципиальнейшая концепция, заключающаяся в том, что необходим прибор, способный избирательно пропускать или не пропускать фотоны. Кроме того желателен расщепитель, могущий разбивать луч на части и убирать из него определенные световые компоненты.

Прототипы уже есть, но они имеют проблему — размеры их гигантские, они больше похожи на транзисторы из середины прошлого столетия, когда компьютерный век только начинался. Уменьшение размеров таких транзисторов и расщепителей — непростая задача.

Фундаментальное препятствие преодолено

А между тем ученым из лаборатории гибридной фотоники «Сколтеха», совместно с коллегами из компании IBM, в начале 2019 года все же удалось построить первый оптический транзистор, способный работать на частоте в 2 ТГц и при этом совсем не нуждающийся в охлаждении до абсолютного нуля.

Результат получен при помощи сложнейшей оптической системы, которая создавалась долгим кропотливым трудом коллектива. И теперь можно сказать, что фотонные процессоры, выполняющие операции со скоростью света — в принципе реальны, так же реальны как оптоволоконная связь.

Первый шаг сделан! Миниатюрный оптический транзистор, не требующий охлаждения и способный работать тысячекратно быстрее своего электронного полупроводникового предка — создан.

Как было отмечено выше, одной из фундаментальных проблем на пути создания элементов для «световых» компьютеров было то, что фотоны друг с другом не взаимодействуют, да и движением частиц света крайне сложно управлять. Однако ученые выяснили, что с проблемой можно справиться прибегнув к так называемым поляритонам.

Поляритон — одна из недавно созданных виртуальных частиц, подобных фотону, и способных проявлять свойства волн и частиц. Поляритон включает в себя три компонента: оптический резонатор, состоящий из пары зеркал-отражателей, между которыми заточена световая волна, а также квантовый колодец. Квантовый колодец представлен атомом с вращающимся вокруг него электроном, способным испускать или поглощать квант света.

Квазичастица поляритон уже в первых экспериментах проявила себя во всей красе, показав, что ее можно применить для создания транзисторов и прочих логических элементов световых компьютеров, но оставался один серьезный минус — работа была возможной лишь при сверхнизких температурах вблизи абсолютного нуля.

Но ученые решили эту проблему. Они научились создавать поляритоны не в полупроводниках, а в органических аналогах полупроводников, которые сохраняли все необходимые свойства даже при комнатной температуре.

На роль такого вещества подошел полипарафенилен — недавно открытый полимер, аналогичный тем, что применяются в производстве кевлара и разнообразных красителей.

Благодаря особому устройству, молекулы полипарафенилена способны даже при высоких температурах порождать внутри себя особые зоны, могущие выполнять функцию квантового колодца классического поляритона.

Заключив пленку из полипарафенилена между слоями неорганических материалов, ученые нашли способ как при помощи воздействия лазерами двух разных типов управлять состоянием квантового колодца и заставлять его испускать фотоны.

Экспериментальный прототип транзистора продемонстрировал способности к рекордно быстрому переключению и усилению светового сигнала при минимальных затратах энергии.

Три таких транзистора уже позволили исследователям собрать первые логические световые приборы , воспроизводящие операции «И» и «ИЛИ». Результат эксперимента дает основание полагать, что дорога к созданию световых компьютеров , — экономичных, быстрых и компактных, — наконец открыта.