Оптический компьютер. Когда свет — будущее электроники

Последние 4 десятилетия электронная индустрия развивается по так называемому «закону Мура», который гласит, что мощность вычислительных процессоров увеличивается вдвое каждые два года. Во время своей работы в компании Intel один из ее основателей Гордон Мур пришел к выводу, что количество транзисторов, которая промышленность способна уместить на кристалле процессора, будет возрастать вдвое каждые 24 месяца. И, как мы видим, нечто подобное действительно происходит: компьютеры и телефоны, казавшиеся мощными еще несколько лет назад, по сравнению с последними новинками уже выглядят устаревшими. А производители тем временем представляют все новые микропроцессоры, способные совершать еще больше операций в единицу времени.

Транзисторы – эти крошечные полупроводники – основа любой современной техники. Каждый год они становятся все меньше и энергоэффективнее. Но должен же быть какой-то предел их уменьшения? Да, и мы приблизились к нему очень близко.

Современный транзистор состоит из двух полупроводников с избытком электронов и находящимся между ними полупроводником с недостатком электронов. Над ними установлены управляющий затвор и плавающий затвор, изолированный диэлектриком. При подаче на управляющий затвор напряжения на плавающий затвор благодаря туннельному эффекту перейдет часть электронов. Плавающий затвор, получивший отрицательный заряд от «посаженных» на него электронов, будет мешать проводить ток через транзистор. В этом случае транзистор будет иметь значение «1». Большую роль при этом играет размер управляющего затвора. Если он будет меньше 5 нм (нанометров), то с плавающего затвора благодаря все тому же туннельному эффекту будет наблюдаться утечка электронов, и транзистор перестанет работать правильно.

В современных процессорах используются транзисторы с управляющим затвором около 20 нм, и ученые ищут пути их уменьшения до 5 нм.

Возможно, из-за использования более эффективных материалов и диэлектриков ученым удастся еще какое-то время наращивать вычислительную мощность процессоров, но рано или поздно электронные вычислительные системы достигнут своей максимальной мощности. Но уже сейчас специалисты знают, как увеличить их производительность: использовать для вычислений не поток электронов, а свет – поток фотонов. Основное преимущество использования фотонов заключается в том, что большая частота волн оптического диапазона позволит достигнуть высокой степени параллелизации передачи и обработки данных. Кроме того, скорость распространения фотонов будет практически равна скорости света, что будет превосходить скорость распространения сигналов в обычном проводе, где из-за сопротивления самого материала и трения возникает потеря энергии. И конечно же, такой системе не станут помехой сколь-либо сильные электромагнитные поля.

Идея создания процессора, получившего название «оптический», появилась достаточно давно – в 80-х годах, когда промышленность еще даже не помышляла о том, что через пару десятилетий производительность электронных процессоров достигнет своего предела. В те времена оптический процессор воспринимался как альтернативный и просто интересный вариант замены обычному электронному процессору. Но теперь становится понятно, что именно оптические компьютеры – наше будущее.

В таком компьютере вычисления будут производиться при помощи фотонов, сгенерированных миниатюрными лазерами, и распространяющихся по чипу при помощи системы отражателей. Для сохранения современной логики вычислений в оптическом процессоре ученым необходимо воссоздать фундаментальный элемент —  оптический транзистор. В настоящее время исследовательские группы различных стран предлагают свои варианты оптических транзисторов, которые могли бы менять свои свойства при воздействии на них светом. Однако пока что многие из них требуют для своей работы слишком большую интенсивность поступающего светового сигнала, что ведет к повышенным энергозатратам. Кроме того, сами компоненты оптического процессора пока не удается сделать достаточно миниатюрными, чтобы сравниться с компактностью кремниевых процессоров. Дело в том, что любая элементарная частица в то же время представляет собой волну и передвигается в пространстве как волна. Минимальный размер волновода для фотона составляет 600 нм, что, конечно же, очень много. Ученые предлагают решить эту проблему при помощи так называемых плазмонных сигналов – проецирования частоту колебания световой волны в колебание электронов на поверхности металла, что позволяет сделать оптическую систему в десятки раз меньше, сохраняя ее преимущества. В настоящее время ведется поиск оптимального для воплощения этой идеи в жизнь материала.

Итак, мы видим, что создание оптического компьютера – необыкновенно сложная и дорогая задача. Тем не менее, человечеству в будущем непременно понадобятся вычислительные системы, способные обрабатывать за короткие отрезки времени гигантское количество информации, и оптический компьютер – главный кандидат.