Το ψηφιακό μέλλον μπορεί να βασίζεται σε οπτικούς διακόπτες ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα από τα σημερινά τρανζίστορ

Το ψηφιακό μέλλον μπορεί να βασίζεται σε οπτικούς διακόπτες ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα από τα σημερινά τρανζίστορ

Χρονική σήμανση: 24 Ιουλίου 2023 3:39 μ.μ.
Το ψηφιακό μέλλον μπορεί να βασίζεται σε οπτικούς διακόπτες ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα από τα σημερινά τρανζίστορ PlatoBlockchain Data Intelligence. Κάθετη αναζήτηση. Ολα συμπεριλαμβάνονται.

Εάν έχετε ποτέ ευχηθεί να είχατε ένα ταχύτερο τηλέφωνο, υπολογιστή ή σύνδεση στο Διαδίκτυο, έχετε αντιμετωπίσει την προσωπική εμπειρία να φτάσετε σε ένα όριο τεχνολογίας. Αλλά μπορεί να υπάρξει βοήθεια στο δρόμο.

Τις τελευταίες δεκαετίες, επιστήμονες και μηχανικοί σαν κι εμένα έχουν εργαστεί για να αναπτύξουν ταχύτερα τρανζίστορ, τα ηλεκτρονικά εξαρτήματα στα οποία βασίζονται οι σύγχρονες τεχνολογίες ηλεκτρονικών και ψηφιακών επικοινωνιών. Αυτές οι προσπάθειες βασίστηκαν σε μια κατηγορία υλικών που ονομάζονται ημιαγωγοί και έχουν ειδικές ηλεκτρικές ιδιότητες. Πυρίτιο είναι ίσως το πιο γνωστό παράδειγμα αυτού του τύπου υλικού.

Αλλά πριν από περίπου μια δεκαετία, οι επιστημονικές προσπάθειες έπληξαν το όριο ταχύτητας των τρανζίστορ που βασίζονται σε ημιαγωγούς. Οι ερευνητές απλά δεν μπορούν να κάνουν τα ηλεκτρόνια να κινούνται πιο γρήγορα μέσα από αυτά τα υλικά. Ένας τρόπος με τον οποίο οι μηχανικοί προσπαθούν να αντιμετωπίσουν τα όρια ταχύτητας που είναι εγγενή στην κίνηση ενός ρεύματος μέσω του πυριτίου είναι να σχεδιάσουν μικρότερα φυσικά κυκλώματα - ουσιαστικά δίνοντας στα ηλεκτρόνια λιγότερη απόσταση για να ταξιδέψουν. Η αύξηση της υπολογιστικής ισχύος ενός τσιπ καταλήγει στην αύξηση του αριθμού των τρανζίστορ. Ωστόσο, ακόμα κι αν οι ερευνητές καταφέρουν να κάνουν τα τρανζίστορ να είναι πολύ μικρά, δεν θα είναι αρκετά γρήγορα για τις ταχύτερες ταχύτητες επεξεργασίας και μεταφοράς δεδομένων που θα χρειαστούν οι άνθρωποι και οι επιχειρήσεις.

My εργασία της ερευνητικής ομάδας στοχεύει να αναπτύξει ταχύτερους τρόπους μετακίνησης δεδομένων, χρησιμοποιώντας υπερταχείς παλμούς λέιζερ σε ελεύθερο χώρο και οπτική ίνα. Το φως λέιζερ ταξιδεύει μέσω της οπτικής ίνας χωρίς σχεδόν καμία απώλεια και με πολύ χαμηλό επίπεδο θορύβου.

Στην πιο πρόσφατη μελέτη μας, που δημοσιεύτηκε τον Φεβρουάριο του 2023 στο Προκαταβολές Επιστήμη, κάναμε ένα βήμα προς αυτό, δείχνοντας ότι είναι δυνατή η χρήση συστήματα που βασίζονται σε λέιζερ εξοπλισμένα με οπτικά τρανζίστορ, τα οποία εξαρτώνται από φωτόνια και όχι από τάση για να μετακινούν ηλεκτρόνια και να μεταφέρουν πληροφορίες πολύ πιο γρήγορα από τα τρέχοντα συστήματα—και το κάνουν πιο αποτελεσματικά από προηγουμένως αναφερθέντες οπτικοί διακόπτες.

Υπεργρήγορα Οπτικά Τρανζίστορ

Στο πιο θεμελιώδες επίπεδό τους, οι ψηφιακές μεταδόσεις περιλαμβάνουν ενεργοποίηση και απενεργοποίηση σήματος για να αναπαραστήσουν ένα και μηδενικά. Τα ηλεκτρονικά τρανζίστορ χρησιμοποιούν τάση για να στείλουν αυτό το σήμα: Όταν η τάση προκαλεί τα ηλεκτρόνια να ρέουν μέσω του συστήματος, σηματοδοτούν 1. όταν δεν ρέουν ηλεκτρόνια, αυτό σηματοδοτεί ένα 0. Αυτό απαιτεί μια πηγή για να εκπέμπει τα ηλεκτρόνια και έναν δέκτη για να τα ανιχνεύσει.

Το σύστημά μας υπερταχείας οπτικής μετάδοσης δεδομένων βασίζεται στο φως και όχι στην τάση. Η ερευνητική μας ομάδα είναι μία από τις πολλές που εργάζονται με οπτική επικοινωνία σε επίπεδο τρανζίστορ—τα δομικά στοιχεία των σύγχρονων επεξεργαστών—για να ξεπεράσουν τους τρέχοντες περιορισμούς με το πυρίτιο.

Το σύστημά μας ελέγχει το ανακλώμενο φως για τη μετάδοση πληροφοριών. Όταν το φως λάμπει σε ένα κομμάτι γυαλιού, το μεγαλύτερο μέρος του περνά μέσα, αν και λίγο μπορεί να αντανακλά. Αυτό είναι αυτό που αντιμετωπίζετε ως λάμψη όταν οδηγείτε προς το φως του ήλιου ή κοιτάζετε μέσα από ένα παράθυρο.

Χρησιμοποιούμε δύο ακτίνες λέιζερ που μεταδίδονται από δύο πηγές που περνούν από το ίδιο κομμάτι γυαλιού. Η μία δέσμη είναι σταθερή, αλλά η μετάδοσή της μέσω του γυαλιού ελέγχεται από τη δεύτερη δέσμη. Χρησιμοποιώντας τη δεύτερη δέσμη για να μετατοπίσουμε τις ιδιότητες του γυαλιού από διαφανές σε ανακλαστικές, μπορούμε να ξεκινήσουμε και να σταματήσουμε τη μετάδοση της σταθερής δέσμης, αλλάζοντας το οπτικό σήμα από το on στο off και πίσω ξανά πολύ γρήγορα.

Με αυτή τη μέθοδο, μπορούμε να αλλάξουμε τις ιδιότητες του γυαλιού πολύ πιο γρήγορα από ό,τι τα τρέχοντα συστήματα μπορούν να στείλουν ηλεκτρόνια. Έτσι μπορούμε να στείλουμε πολλά περισσότερα σήματα ενεργοποίησης και απενεργοποίησης—μηδενικά και ένα—σε λιγότερο χρόνο.

Πόσο γρήγορα μιλάμε;

Η μελέτη μας έκανε το πρώτο βήμα για τη μετάδοση δεδομένων 1 εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα από ό,τι αν είχαμε χρησιμοποιήσει τα τυπικά ηλεκτρονικά. Με τα ηλεκτρόνια, η μέγιστη ταχύτητα για τη μετάδοση δεδομένων είναι α νανοδευτερόλεπτο, ένα δισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου, που είναι πολύ γρήγορο. Αλλά ο οπτικός διακόπτης που κατασκευάσαμε ήταν σε θέση να μεταδίδει δεδομένα ένα εκατομμύριο φορές πιο γρήγορα, κάτι που χρειάστηκε μόνο μερικές εκατοντάδες αττοδευτερόλεπτα.

Ήμασταν επίσης σε θέση να μεταδίδουμε αυτά τα σήματα με ασφάλεια, έτσι ώστε ένας εισβολέας που προσπάθησε να υποκλέψει ή να τροποποιήσει τα μηνύματα να αποτύχει ή να εντοπιστεί.

Η χρήση μιας δέσμης λέιζερ για τη μεταφορά ενός σήματος και η προσαρμογή της έντασης του σήματος με γυαλί που ελέγχεται από άλλη δέσμη λέιζερ, σημαίνει ότι οι πληροφορίες μπορούν να ταξιδέψουν όχι μόνο πιο γρήγορα αλλά και πολύ μεγαλύτερες αποστάσεις.

Για παράδειγμα, το διαστημικό τηλεσκόπιο James Webb μεταδόθηκε πρόσφατα εκπληκτικές εικόνες από μακριά στο διάστημα. Αυτές οι εικόνες μεταφέρθηκαν ως δεδομένα από το τηλεσκόπιο στον σταθμό βάσης στη Γη με ρυθμό ένα "on" ή "off" κάθε 35 νανοδευτερόλεπτα χρησιμοποιώντας οπτικές επικοινωνίες.

Ένα σύστημα λέιζερ όπως αυτό που αναπτύσσουμε θα μπορούσε να επιταχύνει τον ρυθμό μεταφοράς κατά ένα δισεκατομμύριο φορές, επιτρέποντας ταχύτερη και καθαρότερη εξερεύνηση του βαθέως διαστήματος, αποκαλύπτοντας πιο γρήγορα τα μυστικά του σύμπαντος. Και κάποια μέρα οι ίδιοι οι υπολογιστές μπορεί να λειτουργούν με φως.

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Πίστωση εικόνας: Ο εξαιρετικά γρήγορος οπτικός διακόπτης του εργαστηρίου του συγγραφέα σε δράση. Mohammed Hassan, Πανεπιστήμιο της Αριζόνα, CC BY-ND

Σφραγίδα ώρας:

Περισσότερα από Κέντρο μοναδικότητας