Fotoniczny komputer już niedługo może być faktem

Docieramy powoli do kresu możliwości krzemu, z którego produkowana jest większość układów półprzewodnikowych, w tym np. procesory obecne w każdym komputerze. Choć pojawiło się kilka alternatyw dla krzemu (jak grafen), najnowsze osiągniecie naukowców może okazać się przełomowym.

Wstęp

Graniczne częstotliwości taktowania półprzewodników wykonanych z krzemu już osiągnęliśmy, teraz możemy jedynie zmniejszać proces technologiczny, aby wewnątrz układów scalonych zmieścić więcej elementów półprzewodnikowych (bardziej wydajną obliczeniowo strukturę) i zmniejszyć ich zapotrzebowanie na energię elektryczną.

Niedługo jednak osiągniemy nieprzekraczalną granicę  – granicę przy której nie da się wyprodukować półprzewodników w niższym procesie technologicznym (który obecnie wynosi 22nm). Choć tą wielkością  jest 0,5 nm, w praktyce najniższy możliwy do osiągnięcia proces technologiczny to 5 nm (ale granica ta jest ciągle przesuwana). Przy 7 nm długość bramki będzie wynosić zaledwie 16 atomów.

Jakiś czas temu odkryty został grafen, który w przyszłości ma szanse zastąpić krzem. Dzięki niewielkiej rezystancji, układy scalone wykonane z grafenu będą potrzebowały mniej energii, a tranzystor wykonany z tej formy węgla, w 120 nm procesie technologicznym, jest w stanie osiągnąć częstotliwość 300 GHz (przy 50 nm nawet 1 THz), czyli o wiele więcej niż krzem. Grafen ma realne szanse zastąpić krzem.

Ale ani grafen, ani tym bardziej krzem nie dorównują najnowszemu odkryciu.

 

Przełączniki fotoniczne

Naukowcy z Uniwersytetu w Pensylwanii opracowali pierwsze fotoniczne (optyczne) przełączniki, mogące w przyszłości zastąpić ich galwaniczne odpowiedniki. Obecnie do przełączania stanu tranzystora używany jest prąd płynący pod wpływem przyłożonego do bramki napięcia. Naukowcy zastąpili cały tranzystor nanorurkami w których zamiast ładunku elektrycznego używane jest światło.

Nanorurka użyta do budowy przełącznika fotonicznego

Nowy wynalazek to w pełni optyczny (fotoniczny) przełącznik wykonany przy użyciu nanorurek z siarczku kadmu. Oznacza to, że operuje on jedynie światłem. Jego zasada działania opiera się o wcześniejsze osiągniecie grupy naukowców – bardzo silną zależność światła i materii w małych nanorurkach, pozwalające na odpowiednie operowanie światłem, co więcej pozwalające na użycie nanorurki jako źródła światła laserowego. Jaką przewagę daje ta technologia? Niewiarygodnie duże częstotliwości taktowania – o wiele większe niż w przypadku przełączników wykonanych z krzemu, czy nawet grafenu, a przez to o wiele większe możliwości obliczeniowe. Można by tu zażartować, że obliczenia będą wykonywane z prędkością światła, choć niewiele mija się to z prawdą :)

Nanorurka wykorzystana jako generator wiązki laserowej

Przełącznik składa się z przeciętej nanorurki. Do jednej jej części dostarczana jest energia powodująca generowanie światła laserowego. Światło następnie przez przerwę w nanorurce trafia do jej drugiej części. Tam za pomocą drugiego źródła światła skierowanego na strukturę, przy użyciu zjawiska interferencji obu źródeł światła, możliwa jest manipulacja pierwotnej wiązki i jej wygaszenie.

Zestawienie dwóch takich przełączników ze sobą pozwoliło na wykonanie bramki NAND, z której następnie możliwe jest już utworzenie wszystkich możliwych bramek logicznych, a następnie np. procesorów i innych układów elektronicznych.

 

Jak to działa

Nanorurka wykonana z siarczku kadmu została przecięta przy pomocy wiązki jonów (której źródłem był Gal), dzięki czemu uzyskane zostały dwie nanorurki o identycznej średnicy,  idealnie równo przyłożone do siebie końcami.

Nanorurka została schłodzona do 77K (-196,15°C ), a następnie do jej górnego końca wpompowana została optycznie energia (z tytanowo-szafirowego lasera). Te warunki spowodowały wygenerowanie przez górną nanorurkę światła laserowego, które przez przerwę dociera do dolnej nanorurki, a następnie do jej dolnego końca.

Rys.1

Obrazek (a) przedstawia koncepcję działania – górna nanorurka jest laserem, którego światło dociera do końca dolnej nanorurki. Samą nanorurkę sfotografowaną mikroskopem SEM i zdjęcie światła generowanego przez laser oraz emitowanego przez koniec dolnej nanorurki przedstawia obrazek (b). Obrazki (c) i (d) pokazują zmierzone wartości intensywności światła generowanego i opuszczającego nanorurkę – na wykresach widać dużą intensywność światła o energii 2,510eV (elektronowoltów) – intensywność generowanego światła jest praktycznie równa temu na wyjściu. Drobne różnice w zakresie innych długości fal (innej energii) są wynikiem rezonansów.

Kolejnym krokiem było oświetlenie dolnej nanorurki dodatkowym laserem (działo jonowe Ar+ – argonowe) o nieco mniejszej długości fali, na której końcu umieszczony został fotodetektor zdolny rejestrować natężenie światła w różnych jego częściach (podobnie jak matryca aparatu fotograficznego).  Pozwoliło to obserwować wiązki światła o rożnych długościach opuszczające dolną nanorurkę. Światło z lasera argonowego (tego dodatkowego) było następnie włączane i wyłączane co 3s  – fotodetektor za każdym razem (próbka co 30ms) rejestrował zbliżone wartości, pokazujące, że wiązka dodatkowego lasera wygasza światło generowane przez górny laser (rejestrował wartości potwierdzające działanie przełącznika). To jest właśnie zasada działania pojedynczego przełącznika – wygaszanie jednej fali świetlnej drugą.

W ten sposób powstał pojedynczy przełącznik – laser (górna nanorurka) emituje światło do drugiej nanorurki (przełącznik), a dodatkowe źródło światła (pompa) oświetlające przełącznik, gdy jest włączone, na skutek interferencji wygasza światło lasera (powoduje przełączanie).

Rys.2

Rysunek (a) przedstawia miejsce oświetlane dodatkowym laserem – pompą. Czarno-czerwony wykres na rysunku (b) pokazuje intensywności zmierzone fotodetektorem umieszczonym na wyjściu przełącznika (na końcu dolnej nanorurki). Czerwona linia to wykres rejestrowanego światła lasera, a czarny – pompy. Widać wyraźnie, że gdy pompa jest włączona (czarny wykres pokazuje większe wartości), rejestrowane światło lasera ma znacznie mniejszą wartość – oba te stany są wyraźnie rozróżnialne. Duży czarny wykres pokazuje dokładnie to samo, ale w całym spektrum energii (długości fal). Obok znajdują się dodatkowo zdjęcia nanorurki i wyciętej w niej przerwy. Obrazek (c) pokazuje zarejestrowane światło lasera i brak światła na dole przełącznika, gdy włączona jest pompa – widać wyraźną różnicę w stosunku do obrazka (b) na rys.1 umieszczonym wyżej (gdy pompa nie jest włączona). Obrazek (d) to wykres tego samego zjawiska dla innych energii fal (innych ich długości).

Trzeci rysunek wyjaśnia dokładniej mechanizm działania przełącznika.

Rys.3

Na obrazku (a) ponownie pokazana jest przecięta nanorurka. Towarzyszą mu dwa zdjęcia – gdy włączony jest laser i widać jego światło na wyjściu przełącznika, i gdy działa pompa – światła na wyjściu nie ma – dokładniej rzecz ujmując widać delikatne światło, ale są to tylko harmoniczne o innej energii. Potwierdzają to odpowiednio wykresy (b) i (c) – strzałką pomarańczową zaznaczono energię pompy, a niebieską lasera (czerwona przerywana linia to właśnie harmoniczne). Na wykresach na obrazku (e) zaprezentowano co się dzieje, gdy zwiększana jest moc pompy (pomarańczowa strzałka) – choć laser świeci cały czas z taką samą mocą, jego zarejestrowane światło na wyjściu przełącznika traci znacznie na intensywności (niebieska strzałka) – bardziej płynną zależność pokazuje rysunek (f) – kolory linii odpowiadają kolorom strzałek.

Odpowiednie dobranie mocy lasera i mocy pompy pozwala tak modyfikować światło lasera pompą, aby na wyjściu wyraźnie rejestrować stan wysoki (gdy pompa jest wyłączona) i niski (gdy pompa działa).

Mając działający przełącznik i wiedzę o jego działaniu, naukowcy zestawili dwa przełączniki tak, aby wykonać bramkę NAND – wyjście jednego z przełączników zestawili z wyjściem drugiego.

W takiej konstrukcji wejściami są pompy obu przełączników, a wyjściem – wyjście jednego z przełączników (drugi jest dołączony optycznie do pierwszego).

Rys.4

Na obrazku (a) pokazana jest idea bramki NAND złożonej z dwóch przełączników i logiczna 1 na wyjściu (stan wysoki), gdy na wejściach są stany niskie (pompy nie są włączone). Oba lasery służą tu jedynie za źródła światła (źródła o różnej energii fal). Obrazek (b) przestawia zdjęcie bramki wykonanej z nanorurek. Na obrazkach (c), (d) i (e) można zaobserwować wyjście bramki dla rożnych stanów na wejściu (czerwona linia). Gdy oba wejścia są aktywne (obie pompy działają), wygaszają one światło obu laserów i nie dociera ono do wyjścia, powodując stan niski na wyjściu, w pozostałych przypadkach światło przynajmniej jednego lasera (niewygaszone przez pompę) dociera do wyjścia powodując wskazanie stanu wysokiego.

 

Podsumowanie

Wykonanie optycznej bramki NAND to dopiero początek. Ta elementarna bramka może posłużyć do budowy wszystkich innych rodzajów bramek, a te z kolei do budowy superszybkich procesorów i innych układów logicznych, które będą działały z niewiarygodnie dużymi częstotliwościami (czasy propagacji poprzez interferencję promieni świetlnych są znikomo małe w porównaniu z czasami propagacji galwanicznych układów elektronicznych).

Zapewne najpierw czeka nas upowszechnienie się grafenu, który jest już dość dobrze poznanym materiałem i bliżej mu do przemysłowego wykorzystania. Najnowsze bramki fotoniczne otwierają jednak drogę do znacznie wydajniejszych jednostek obliczeniowych – kto wie w jaki sposób zmienią one nasze życie.

 

Źródła: PCLab.pl, PCLab.pl, Penn, Penn, Nature, Nature, Nature
Obrazki: [1], [2], [3], [4]

Ten wpis został opublikowany w kategorii Elektronika, Technologie i oznaczony tagami , , , , , , , , . Dodaj zakładkę do bezpośredniego odnośnika.

Dodaj komentarz

Musisz się zalogować (także Facebook, Google+, Twitter), aby móc dodać komentarz.