Evo zašto još nemamo računarstvo temeljeno na svjetlu

U principu je komunikacija sa svjetlošću mnogo, puno lakša od komunikacije s električnom energijom. Radimo to već puno duže, u tehnologijama koje se kreću od signalnih požara do optičkih mreža, jer fotoni imaju sposobnost da podatke prenose mnogo brže od elektrona. Ipak, svjetlost također ima mnogo frustrirajućih problema koje elektroni nemaju - problema koji su spriječili svjetlost da istiskuje električnu energiju na nanometarskim skalama modernog računanja. Dugo je vrijeme glavna prepreka fotonskoj revoluciji u računarstvu i eksponencijalni porast brzine računala svojevrsna igra nulte sume između tri glavna igrača: veličine, snage i topline.

Stvar u vezi sa svjetlošću je ta da je prema atomskim standardima stvarno jako velika. Općenito, najmanja korisna valna duljina svjetlosti za računanje bila je u infracrvenom području, veličine oko 1000 nm, dok su poboljšanja u silicijskim tranzistorima dosegla i čak prešla prag od 10 nm. Litografija je osmislila nevjerojatno pametne i složene načine difrakcije svjetlosti radi urezivanja silicijskih pločica s detaljima manjim od valne duljine svjetla koji čine bakropis - prilično nevjerojatne stvari - ali to je dječja igra u usporedbi s vrstama superbrzih, superkompleksnih komunikacija koja bi nam bila potrebna unutar modernog računalnog procesora. Postojeće tehnike savijanja svjetlosnih valova jednostavno neće odraditi posao.



Optička vlakna, u plavoj i bijeloj boji

Optička vlakna, u plavoj i bijeloj boji.



Kako bi zaobišli problem veličine i učinili svjetlo korisnim na vagama koje su nam potrebne za performanse računala sljedeće generacije, inženjeri su se okrenuli nečemu što se naziva 'površinski plazmoni'. To su u biti elektroni koji su uzbuđeni tako da plešu duž površine materijala, iskorištavajući kvantnu neobičnost da bi se ponašali i putovali više poput fotona nego elektrona. To je malo na pola puta između električne energije i svjetlosti, koristeći mnoga svjetlosna ponašanja, ali ostajući fizički ograničen na puno, puno manji prostor točno na površini žice. Ako su stvoreni na uobičajenoj bakrenoj žici, ovi površinski plazmoni mogu putovati mnogo brže od normalnog elektrona u istom mediju, pa čak i usko se približavati brzini svjetlosti.

Brzina kojom možemo komunicirati na daljinu važnija je kad imamo veću udaljenost za komunikaciju, pa je prva pretpostavljena računalna aplikacija za fotoniku u relativno dugoj komunikaciji između procesorske jezgre. Trenutno bakrena žica povezuje ove superbrze komponente kako bi im omogućila zajednički rad - ali komunikacija između jezgri počinje sve više zaostajati za brzinom bilo koje od tih jezgri pojedinačno. Dakle, ako želimo iskoristiti svu potencijalnu snagu, recimo, 64-jezgrenog procesora, morat ćemo te jezgre koordinirati s nečim puno bržim od elektrona koji se kreću kroz bakrenu žicu - bilo bi dobro nešto brže poput svjetlosti.



Problem kada se prebacite sa svjetlosnih valova na površinske plazmone je taj što plazmoni vrlo brzo gube svoju snagu - kreću se vrlo brzo, ali imaju tendenciju propasti puno prije nego što stignu na odredište. Da bi ih održali dovoljno na snazi ​​od izvora do odredišta, inženjeri mogu 'pumpati' žicu u aktivnu plazmonsku komponentu - u osnovi troše malo energije na održavanje žice u stanju u kojem površinski plazmoni neće izgubiti tonu energije dok putuju.

Ali to stvara svojevlastiti problem: toplina. Površinski plazmoni rješavaju problem valne duljine, a aktivni plazmonici rješavaju problem površinske plazmonske snage, ali sada moramo spriječiti da se sve ove aktivno pumpane komponente pregriju zbog sve viška energije koju dodajemo. Ovo je težak problem za pucanje, a dovelo se do pretpostavke da bi bilo koji fotonski računalni sustav trebao biti ili hlađen nekim super naprednim sustavom hlađenja, ili od nekog egzotičnog ožičnog materijala koji je puno bolji u održavanju površinskih plazmonskih signala bez značajna pomoć.



Oba su područja istraživanja u tijeku, ali a nedavna studijas Moskovskog instituta za fiziku i tehnologiju (MIPT) pokazao je da bi s dovoljno dobrim režimom postojećih tehnologija hlađenja aktivno pumpana bakrena žica mogla dobiti i plazmonsku klizavost i odvođenje topline koja nam je potrebna da bismo realno pokrenuli potrošački uređaj. To znači da kako konvencionalna računalna arhitektura postaje sve složenija i dodaje više procesorskih jezgri, zapravo možemo vidjeti povezano povećanje brzine koje bismo željeli i očekivali.

optički komp. 2

Ovaj složeni sustav konvencionalnih hladnjaka mogao bi pomoći u rješavanju jedne od najvećih prepreka za optički poboljšanje računala.

Naravno, ideja fotonskog računanja nadilazi samo održavanje koordinacije između procesorskih jezgri izrađenih od elektroničkih tranzistora. Ne samo da je vrlo vremenski i energetski neučinkovito prebacivanje signala između fotona i elektrona, već bi takozvani optički tranzistori mogli imati mnogo veću širinu pojasa od elektroničkih. Trebat će brojna dodatna otkrića, ali istraživanja su u tijeku ovo nedavno istraživanje tražeći pristupačan materijal koji bi mogao izvršiti preciznu polarizaciju svjetlosnih signala u tankom filmu. Grafenske i ugljične nanocijevi imajutona moguće korisnosti za optičko računanje, jer bi mogli transportirati površinske plazmone i omogućiti da prednosti fotonike djeluju na nano-ljestvici.

Pravo optičko računalo mnogo je više od hibrida koji koristi optičku tehnologiju za koordinaciju konvencionalnih elektroničkih jezgri. Jednom stvoreno, potpuno optičko računalo moglo bi nam omogućiti da ponovno pokrenemo Mooreov zakon. Neće imati svijeću za neko buduće, sveobuhvatno kvantno računalo, ali dok ne dobijemo takvu optičko računalo jedna je od naših najboljih oklada za ponovno pokretanje eksponencijalnog rasta računalne snage.

Pogledajte našu seriju 2007es.com Explains za detaljnije izvještavanje o najnovijim tehnološkim temama današnjice.

Copyright © Sva Prava Pridržana | 2007es.com