Yeni, Son Derece Enerji Verimli Optik “Transistör”, Hesaplamayı 1.000 Kat Hızlandırıyor
Skoltech ve IBM tarafından yönetilen uluslararası bir araştırma ekibi, elektronlar yerine fotonları manipüle eden yeni nesil bilgisayarlarda elektronik transistörlerin yerini alabilecek, enerji açısından son derece verimli bir optik anahtar yarattı. Doğrudan güç tasarrufuna ek olarak, anahtar soğutma gerektirmez ve gerçekten hızlıdır: Saniyede 1 trilyon işlemle günümüzün birinci sınıf ticari transistörlerinden 100 ila 1.000 kat daha hızlıdır. Çalışma 22 Eylül 2021’de yayınlandı. Doğa.
Araştırmanın ilk yazarı Dr. Anton Zasedatelev, “Yeni cihazı enerji açısından bu kadar verimli yapan şey, geçiş yapmak için yalnızca birkaç foton almasıdır,” dedi. “Aslında, Skoltech laboratuvarlarımızda oda sıcaklığında sadece bir fotonla geçiş yapmayı başardık! Bununla birlikte, tamamen optik bir yardımcı işlemcide bu tür bir ilke kanıtı gösteriminin kullanılması için uzun bir yol var,” diye ekledi Skoltech’teki Hybrid Photonics Labs’ın başkanı Profesör Pavlos Lagoudakis.
Bir foton, doğada var olan en küçük ışık parçacığı olduğu için, güç tüketimi söz konusu olduğunda, bunun ötesinde iyileştirme için çok fazla yer yoktur. Modern elektrik transistörlerinin çoğu, anahtarlamak için onlarca kat daha fazla enerji harcar ve karşılaştırılabilir verimlilik elde etmek için tek elektron kullananlar çok daha yavaştır.
Performans sorunlarının yanı sıra, rakip güç tasarrufu sağlayan elektronik transistörler, aynı zamanda, güç tüketen ve işletme maliyetlerine katkıda bulunan hacimli soğutma ekipmanlarına ihtiyaç duyma eğilimindedir. Yeni anahtar, oda sıcaklığında rahatlıkla çalışır ve bu nedenle tüm bu sorunları ortadan kaldırır.
Anahtar, birincil transistör benzeri işlevine ek olarak, aygıtları optik sinyaller biçiminde aralarında veri alışverişi yaparak birbirine bağlayan bir bileşen olarak işlev görebilir. Ayrıca, gelen bir lazer ışınının yoğunluğunu 23.000’e kadar artıran bir amplifikatör görevi görebilir.
Nasıl çalışır
Cihaz, durumunu “0” veya “1” olarak ayarlamak ve aralarında geçiş yapmak için iki lazere güvenir. Daha parlak başka bir lazer ışınını açmak veya kapatmak için çok zayıf bir kontrol lazer ışını kullanılır. Kontrol ışınında sadece birkaç foton alır, dolayısıyla cihazın yüksek verimliliği.
Anahtarlama, yüksek oranda yansıtıcı inorganik yapılar arasına sıkıştırılmış 35 nanometrelik ince bir organik yarı iletken polimer olan bir mikro boşluk içinde gerçekleşir. Mikro boşluk, gelen ışığı mümkün olduğunca uzun süre içeride tutacak ve boşluğun malzemesiyle eşleşmesini destekleyecek şekilde inşa edilmiştir.
Bu hafif madde birleşimi, yeni cihazın temelini oluşturuyor. Fotonlar, boşluğun materyalinde elektron deliği çiftlerine (aka eksitonlara) güçlü bir şekilde bağlandığında, bu, anahtarın çalışmasının kalbinde bir tür yarı parçacık olan eksiton-polaritonlar adı verilen kısa ömürlü varlıklara yol açar.
Pompa lazeri – ikisinden daha parlak olanı – anahtarın üzerinde parladığında, bu aynı yerde binlerce özdeş kuasipartikül oluşturur ve “0” ve “1” mantık durumlarını kodlayan Bose-Einstein yoğuşmasını oluşturur. cihaz.
Ekip, cihazın iki seviyesi arasında geçiş yapmak için, pompa lazer darbesinin gelmesinden kısa bir süre önce kondensi tohumlayan bir kontrol lazer darbesi kullandı. Sonuç olarak, pompa lazerinden enerji dönüşümünü uyarır ve kondensattaki yarı partikül miktarını arttırır. İçindeki yüksek miktarda partikül, cihazın “1” durumuna karşılık gelir.
Araştırmacılar, düşük güç tüketimini sağlamak için birkaç ince ayar kullandılar: İlk olarak, yarı iletken polimer moleküllerinin titreşimleri verimli geçişe yardımcı oldu. İşin püf noktası, pompalanan durumlar ile kondensat durumu arasındaki enerji boşluğunu polimerdeki belirli bir moleküler titreşimin enerjisiyle eşleştirmekti. İkincisi, ekip lazerlerini ayarlamak için en uygun dalga boyunu bulmayı başardı ve tek atımlık kondensat tespitini sağlayan yeni bir ölçüm şeması uyguladı. Üçüncüsü, kondensi tohumlayan kontrol lazeri ve algılama şeması, cihazın “arka plan” emisyonundan kaynaklanan gürültüyü bastıracak şekilde eşleştirildi. Bu önlemler, cihazın sinyal-gürültü seviyesini en üst düzeye çıkardı ve fazla enerjinin mikro boşluk tarafından emilmesini engelledi, bu da yalnızca moleküler titreşimler yoluyla onu ısıtmaya hizmet edecek.
“Şu anda düğmeyi açık tutan pompa lazerinin egemen olduğu cihazımızın genel güç tüketimini azaltmak için önümüzde hala bazı çalışmalar var. Bu amaca yönelik bir yol, ortak çalışanlarla araştırdığımız gibi perovskit süper kristal malzemeler olabilir. Ekip, süperfloresans şeklinde güçlü bir kolektif kuantum tepkisine yol açan güçlü hafif madde eşleşmeleri göz önüne alındığında mükemmel adaylar olduklarını kanıtladılar” diye yorum yapıyor.
Daha geniş bir şemada, araştırmacılar yeni anahtarlarını, son birkaç yıldır bir araya getirdikleri tüm optik bileşenlerin büyüyen araç setinde yalnızca bir tanesi olarak görüyorlar. Diğer şeylerin yanı sıra, optik sinyalleri transistörler arasında ileri geri göndermek için düşük kayıplı bir silikon dalga kılavuzu içerir. Bu bileşenlerin geliştirilmesi, bizi elektronlar yerine fotonları manipüle edecek optik bilgisayarlara daha da yaklaştırarak çok daha üstün performans ve daha düşük güç tüketimi sağlıyor. Skoltech’teki araştırma, Rus Bilim Vakfı (RSF) tarafından desteklendi.
Referans: Anton V. Zasedatelev, Anton V. Baranikov, Denis Sannikov, Darius Urbonas, Fabio Scafirimuto, Vladislav Yu. Shishkov, Evgeny S. Andrianov, Yurii E. Lozovik, Ullrich Scherf, Thilo Stöferle, Rainer F. Mahrt ve Pavlos G. Lagoudakis, 22 Eylül 2021, Doğa.
DOI: 10.1038 / s41586-021-03866-9
.
Gelişmelerden zamanında haberdar olmak için Google News’te Bilim Portal’a ABONE OLUN