Новый энергоэффективный оптический транзистор ускоряет вычисления в 1000 раз

Международная исследовательская группа под руководством Сколтеха и IBM создала чрезвычайно энергоэффективный оптический переключатель, который может заменить электронные транзисторы в компьютерах нового поколения, управляющих фотонами, а не электронами.

Помимо прямого энергосбережения, переключатель не требует охлаждения и работает очень быстро: при 1 триллионе операций в секунду он в 100–1000 раз быстрее, чем современные коммерческие транзисторы высшего класса.

«Что делает новое устройство таким энергоэффективным, так это то, что для его переключения требуется всего несколько фотонов», — прокомментировал первый автор исследования Антон Заседателев.

«Фактически, в наших лабораториях Сколтеха мы добились переключения всего одним фотоном при комнатной температуре! Тем не менее, предстоит пройти долгий путь, прежде чем такая демонстрация принципа будет использована в полностью оптическом сопроцессоре», — добавил профессор Павлос Лагудакис, возглавляющий лабораторию гибридной фотоники в Сколтехе.

Поскольку фотон — это мельчайшая частица света, существующая в природе, на самом деле есть не так много возможностей для улучшения, что касается энергопотребления. Большинство современных электрических транзисторов требуют в десятки раз больше энергии для переключения, а те, которые используют одиночные электроны для достижения сопоставимой эффективности, работают намного медленнее.

Помимо проблем с производительностью, конкурирующие энергосберегающие электронные транзисторы также требуют громоздкого охлаждающего оборудования, которое, в свою очередь, потребляет энергию и влияет на эксплуатационные расходы. Новый переключатель удобно работает при комнатной температуре и, следовательно, позволяет обойти все эти проблемы.

В дополнение к своей основной функции, подобной транзистору, переключатель может действовать как компонент, который связывает устройства, передавая данные между ними в виде оптических сигналов. Он также может служить усилителем, увеличивая интенсивность входящего лазерного луча до 23000 раз.

Как это работает

В устройстве используются два лазера, которые устанавливают свое состояние на «0» или «1» и переключаются между ними. Очень слабый управляющий лазерный луч используется для включения или выключения другого, более яркого лазерного луча. Для этого требуется всего несколько фотонов в управляющем луче, что обеспечивает высокую эффективность устройства.

 Смотрите также: IBM представила новые 2-нм транзисторы: они меньше, чем нить ДНК

Переключение происходит внутри микрополости — органического полупроводникового полимера толщиной 35 нанометров, зажатого между неорганическими структурами с высокой отражающей способностью. Микрополость построена таким образом, чтобы как можно дольше удерживать входящий свет внутри, чтобы способствовать его взаимодействию с материалом полости.

Эта связь составляет основу нового устройства. Когда фотоны сильно взаимодействуют с связанными электронно-дырочными парами — так называемыми экситонами — в материале полости, это приводит к появлению короткоживущих сущностей, называемых экситон-поляритонами, которые являются своего рода квазичастицами, лежащими в основе работы переключателя.

Когда лазер накачки — более яркий из двух — светит на переключатель, это создает тысячи идентичных квазичастиц в одном и том же месте, образуя так называемый конденсат Бозе-Эйнштейна, который кодирует логические состояния «0» и «1» в устройстве.

Чтобы переключаться между двумя уровнями устройства, команда исследователей использовала управляющий лазерный импульс, засевающий конденсат незадолго до прихода лазерного импульса накачки. В результате он стимулирует преобразование энергии лазера накачки, увеличивая количество квазичастиц в конденсате. Большое количество частиц в нем соответствует состоянию «1» устройства.

Исследователи использовали несколько настроек, чтобы обеспечить низкое энергопотребление.

Во-первых, эффективному переключению способствовали колебания молекул полупроводникового полимера. Уловка заключалась в том, чтобы согласовать энергетический зазор между состояниями накачки и состоянием конденсата с энергией одного конкретного молекулярного колебания в полимере.

Во-вторых, команде удалось найти оптимальную длину волны для настройки лазера и внедрить новую схему измерения, позволяющую обнаруживать конденсат за один проход.

В-третьих, управляющий лазер, засевающий конденсат, и схема его обнаружения были согласованы таким образом, чтобы подавлять шум от «фонового» излучения устройства. Эти меры максимально повысили уровень отношения сигнал / шум устройства и предотвратили поглощение избыточной энергии микрополостью, которая могла бы служить только для его нагрева за счет молекулярных колебаний.

В более широком плане исследователи видят в своем новом переключателе лишь один из постоянно растущего набора полностью оптических компонентов, которые они собирали в течение последних нескольких лет. Среди прочего, они включают в себя кремниевый волновод с низкими потерями для переключения оптических сигналов между транзисторами. Разработка этих компонентов еще больше приближает нас к оптическим компьютерам, которые будут манипулировать фотонами, а не электронами, что приведет к значительно более высокой производительности и более низкому энергопотреблению. Исследования в Сколтехе поддержаны Российским научным фондом (РНФ).

Исследование было опубликовано в журнале Nature.