Современная электроника №8/2021

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 65 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА ◆ № 8 2021 НОВОСТИ МИРА Н ОВЫЙ ОПТИЧЕСКИЙ « ТРАНЗИСТОР » УСКОРИТ ВЫЧИСЛЕНИЯ В ТЫСЯЧУ РАЗ ПРИ МИНИМАЛЬНЫХ ЭНЕРГОЗАТРАТАХ Международная научная группа во главе с исследователями из Сколтеха и IBM созда- ла чрезвычайно энергоэффективный опти- ческий переключатель, который мог бы за- менить электронные транзисторы в новом поколении компьютеров, оперирующих фо- тонами, а не электронами. Переключатель не только напрямую сберегает энергию, но и не требует охлаждения и притом очень бы- стро работает: способный выполнять трилли- он операций в секунду, он в 100…1000 раз быстрее, чем самые производительные со- временные коммерческие транзисторы. Ре- зультаты исследования, поддержанного Рос- сийским научным фондом, опубликованы в научном журнале Nature. «Новое устройство чрезвычайно энерго- эффективно благодаря тому, что для его пе- реключения требуется всего несколько фо- тонов», – прокомментировал первый автор исследования, Антон Заседателев. «На са- мом деле, в лабораториях Сколтеха мы до- бились переключения даже одним фотоном при комнатной температуре, – добавил про- фессор Павлос Лагудакис, возглавляющий лабораторию гибридной фотоники в Скол- техе. – Тем не менее предстоит пройти дол- гий путь от наблюдения эффекта в лабора- тории до разработки реальных полностью оптических сопроцессоров». Поскольку фотон – мельчайшая суще- ствующая в природе частица света, учёные, по сути, подобрались к пределу энергоэф- фективности. Если говорить об электриче- ских транзисторах, то большинство из них сегодня требуют в десятки раз больше энер- гии для переключения, а те, что достигают сопоставимой эффективности за счёт со- вершения манипуляций с одиночными элек- тронами, работают намного медленнее. Конкурирующие энергосберегающие электронные транзисторы не только про- игрывают в производительности, но и нуж- даются в громоздком охлаждающем обору- довании, которое, в свою очередь, потребля- ет дополнительную энергию и увеличивает эксплуатационные расходы. Новый пере- ключатель может работать при комнатной температуре и, следовательно, не подвер- жен этим проблемам. В дополнение к своей основной функции переключатель может работать как связы- вающий устройства компонент, который пе- редаёт данные между ними в виде опти- ческих сигналов. Он также может служить усилителем, увеличивая интенсивность входного сигнала до 23 тысяч раз. Устройство использует два лазера, что- бы установить своё состояние на уровне «0» или «1» и переключаться между ними. Кон- цептуально это работает так, что очень сла- бый контрольный лазерный луч использует- ся для включения или выключения другого, более яркого лазерного луча. Для этого в контрольном луче требуется всего несколь- ко фотонов, чем и обусловлена высокая эф- фективность устройства. Но сложность состоит в том, что лазеры сами по себе не способны оказывать вли- яние друг на друга из-за ничтожно слабо- го взаимодействия фотонов. Для того что- бы реализовать концепцию переключения, нужна некая среда. В нашем случае пере- ключение происходит внутри микрорезона- тора – органического полупроводникового полимера толщиной 35 нанометров, зажа- того между неорганическими структурами с высокой отражающей способностью. Ми- крорезонатор построен таким образом, что- бы как можно дольше удерживать входящий свет внутри и усиливать его взаимодействие с веществом (органическим полимером). Именно сильное взаимодействие света с веществом и обеспечивает функционирова- ние нового устройства. Когда внутри резо- натора фотоны взаимодействуют со связан- ными электронно-дырочными парами (экси- тонами), возникают экситон-поляритоны – гибридные состояния света и вещества с очень малым временем жизни, которые от- носятся к так называемым квазичастицам и лежат в основе работы переключателя. Когда лазер накачки – более яркий из двух – светит на переключатель, в одном и том же месте создаются тысячи одинаковых квазичастиц, образуя так называемый кон- денсат Бозе-Эйнштейна, который кодирует логические состояния «0» и «1» устройства. Чтобы переключаться между двумя уров- нями устройства, команда использовала контрольный лазерный импульс, создаю- щий условия для возникновения конденсата незадолго до появления лазерного импуль- са накачки. Таким образом, контрольный импульс увеличивает эффективность пре- образования энергии лазера накачки, что, в свою очередь приводит к большему ко- личеству квазичастиц в конденсате. Боль- шее количество частиц соответствует логи- ческому уровню «1» устройства. Для снижения энергопотребления учёные использовали ряд хитростей. Во-первых, эф- фективному переключению способствовали колебания молекул полупроводникового по- лимера. Трюк состоит в том, чтобы согла- совать энергию частиц накачки и энергию частиц в конденсате при помощи молеку- лярных колебаний в полимере внутри резо- натора. Во-вторых, команде удалось найти оптимальную длину волны лазеров и вне- дрить новую схему измерения, позволяю- щую регистрировать состояние конденсата в каждой отдельной реализации. В-третьих, формирующий конденсат контрольный ла- зер и схема детектирования были согласо- ваны таким образом, чтобы минимизировать шум от фонового излучения устройства. Эти меры максимально улучшили показатель «сигнал – шум» устройства и предотврати- ли поглощение избыточной энергии в ми- крорезонаторе, избежав тем самым чрез- мерного нагрева устройства. «Нам предстоит работа по снижению об- щего энергопотребления устройства, в ко- тором в настоящее время доминирует ла- зер накачки, поддерживающий переклю- чатель в активном состоянии. Одним из перспективных способов достижения этой цели могут быть перовскитные суперкри- сталлические материалы, подобные тем, которые мы исследуем с коллегами. Они отлично подходят для этой цели, посколь- ку обеспечивают сильное взаимодействие света с веществом и, как следствие, мощ- ный коллективный квантовый отклик в виде сверхизлучения», – заявили исследователи. Авторы исследования подчёркивают важ- ность предложенного принципа оптического однофотонного переключения: он может быть распространён на другие полностью оптиче- ские компоненты, которые коллектив разра- батывает последние несколько лет. В числе прочего их набор включает различные логи- ческие вентили, каскадный усилитель и крем- ниевый волновод с малыми потерями для пе- реноса оптических сигналов между транзисто- рами. Разработка такого рода компонентов планомерно приближает нас к появлению оп- тических компьютеров, которые будут мани- пулировать фотонами, а не электронами, и за счёт этого работать быстрее традиционных вычислителей и расходовать меньше энергии. skoltech.ru