Nye logiske porter er en million ganger raskere enn dagens brikker

As Moores lov begynner å avta, letingen er i gang etter nye måter å holde den eksponentielle økningen i prosesseringshastighet i gang. Ny forskning tyder på at en eksotisk tilnærming kjent som "lightwave electronics" kan være en lovende ny vei.

Mens innovasjon innen databrikker er langt fra død, er det tegn på at den eksponentielle økningen i datakraft vi har blitt vant til de siste 50 årene er begynner å sakte. Etter hvert som transistorer krymper til nesten atomskalaer, blir det vanskeligere å klemme stadig mer på en databrikke, og undergraver trenden som Gordon Moore først observerte i 1965: at antallet doblet seg omtrent hvert annet år.

Men en like viktig trend innen prosessorkraft forsvant mye tidligere: "Dennard skalering,” som slo fast at strømforbruket til transistorene falt i takt med størrelsen. Dette var en veldig nyttig tendens, fordi chips raskt varmes opp og blir skadet hvis de trekker for mye strøm. Dennard-skalering betydde at hver gang transistorer shrank, det samme gjorde strømforbruket deres, noe som gjorde det mulig å kjøre sjetonger raskere uten å overopphete dem.

Men denne trenden løste seg tilbake i 2005 på grunn av den økte virkningen av strømlekkasje i svært små skalaer, og den eksponentielle økningen i klokkefrekvensene for brikken avtok. Chipmakere svarte med å gå over til multi-core prosessering, der mange små prosessorer kjører parallelt for å fullføre jobber raskere, men klokkehastighetene har holdt seg mer eller mindre stillestående siden den gang.

Nå har forskere imidlertid demonstrert grunnlaget for en teknologi som kan tillate klokkefrekvenser en million ganger høyere enn dagens brikker. Tilnærmingen er avhengig av å bruke lasere for å fremkalle ultraraske utbrudds av elektrisitet og har blitt brukt til å lage den raskeste logiske porten noensinne – den grunnleggende byggesteinen til alle datamaskiner.

Såkalt "lysbølgeelektronikk" er avhengig av at det er mulig å bruke laserlys til å eksitere elektroner i ledende materialer. Forskere har allerede vist at ultraraske laserpulser er i stand til å generere strømutbrudd på femtosekunders tidsskalaer - en milliondels milliarddels sekund.

Å gjøre noe nyttig med dem har vist seg mer unnvikende, men i en papir inn Natur, forskere brukte en kombinasjon av teoretiske studier og eksperimentelt arbeid for å finne en måte å bruke dette fenomenet til informasjonsbehandling.

Da teamet avfyrte sin ultraraske laser mot en grafentråd som var trukket mellom to gullelektroder, produserte den to forskjellige typer strømmer. Noen av elektronene som ble opphisset av lyset fortsatte å bevege seg i en bestemt retning når lyset ble slått av, mens andre were forbigående og were bare i bevegelse mens lyset waer på. Forskerne fant ut at de kunne kontrollere hvilken type strøm som ble opprettet ved å endre formen på laserpulsene deres, som ble deretter brukt som grunnlaget for deres logiske port.

Logiske porter fungerer ved å ta to innganger – enten 1 eller 0 – behandle dem og gi en enkelt utgang. De nøyaktige behandlingsreglene avhenger av typen logisk port som implementerer dem, men for eksempel gir en OG-port bare en 1 hvis begge inngangene er 1, ellers gir den ut en 0.

I forskernes nye opplegg brukes to synkroniserte lasere til å lage utbrudd av enten transiente eller permanente strømmer, som fungerer som innganger til den logiske porten. Disse strømmene kan enten legge sammen eller kansellere hverandre for å gi ekvivalenten til en 1 eller 0 som en utgang.

Og på grunn av de ekstreme hastighetene til laserpulsene, er den resulterende porten i stand til å operere med hastigheter i petahertz, som er en million ganger raskere enn gigahertz-hastighetene som dagens raskeste databrikker kan håndtere.

Det er klart at oppsettet er mye større og mer komplekst enn det enkle arrangementet av transistorer som brukes til konvensjonelle logiske porter, og å krympe det ned til de skalaene som kreves for å lage praktiske brikker, vil være en enorm oppgave.

Men selv om petahertz-databehandling ikke er rundt hjørnet med det første, antyder den nye forskningen at lysbølgeelektronikk kan være en lovende og kraftig ny vei å utforske for fremtidens databehandling.

Bildekreditt: University of Rochester / Michael Osadciw

• Myntsmart. Europas beste Bitcoin og Crypto Exchange.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. FRI TILGANG.
• CryptoHawk. Altcoin Radar. Gratis prøveperiode.
• Kilde: https://singularityhub.com/2022/05/23/new-logic-gates-are-a-million-times-faster-than-todays-chips/