Nya logiska portar är en miljon gånger snabbare än dagens marker

As Moores lag börjar sakta ner, sökandet pågår efter nya sätt att hålla igång den exponentiella ökningen av bearbetningshastigheter. Ny forskning tyder på att ett exotiskt tillvägagångssätt känd som "ljusvågselektronik" kan vara en lovande ny väg.

Även om innovation inom datorchips är långt ifrån död, finns det tecken på att den exponentiella ökningen av datorkraft vi har vant oss vid under de senaste 50 åren är börjar sakta ner. När transistorer krymper till nästan atomära skalor, blir det svårare att klämma fast mer på ett datorchip, vilket undergräver trenden som Gordon Moore först observerade 1965: att antalet fördubblades ungefär vartannat år.

Men en lika viktig trend inom processorkraft avtog mycket tidigare: "Dennard skalar,” som konstaterade att strömförbrukningen för transistorer föll i takt med deras storlek. Detta var en mycket användbar tendens, eftersom chips snabbt värms upp och skadas om de drar för mycket ström. Dennard-skalning innebar att varje gång transistorer shrank, så gjorde deras strömförbrukning, vilket gjorde det möjligt att köra chips snabbare utan att överhetta dem.

Men den här trenden avbröts redan 2005 på grund av den ökade effekten av strömläckage i mycket små skalor, och den exponentiella ökningen av klockfrekvenserna för chipet avtog. Chiptillverkare svarade med att gå över till flerkärnig bearbetning, där många små processorer körs parallellt för att slutföra jobb snabbare, men klockfrekvenserna har varit mer eller mindre stillastående sedan dess.

Men nu har forskare visat grunden för en teknik som kan tillåta klockfrekvenser en miljon gånger högre än dagens chips. Tillvägagångssättet bygger på att använda laser för att framkalla ultrasnabb skurs av elektricitet och har använts för att skapa den snabbaste logiska porten någonsin – den grundläggande byggstenen för alla datorer.

Så kallad "ljusvågselektronik" bygger på det faktum att det är möjligt att använda laserljus för att excitera elektroner i ledande material. Forskare har redan visat att ultrasnabba laserpulser kan generera strömskurar på femtosekunders tidsskalor - en miljondels miljarddels sekund.

Att göra något användbart med dem har visat sig vara svårare, men i en papper i Natur, forskare använde en kombination av teoretiska studier och experimentellt arbete för att ta fram ett sätt att använda detta fenomen för informationsbehandling.

När teamet avfyrade sin ultrasnabba laser mot en grafentråd uppträdd mellan två guldelektroder producerade den två olika typer av strömmar. Vissa av elektronerna som exciterades av ljuset fortsatte att röra sig i en viss riktning när ljuset stängdes av, medan andra weåter övergående och were bara i rörelse medan ljuset waär på. Forskarna fann att de kunde kontrollera vilken typ av ström som skapas genom att ändra formen på deras laserpulser, vilket användes sedan som grund för deras logiska port.

Logiska grindar fungerar genom att ta två ingångar – antingen 1 eller 0 – bearbeta dem och tillhandahålla en enda utgång. De exakta bearbetningsreglerna beror på vilken typ av logisk grind som implementerar dem, men till exempel matar en AND-grind bara en 1 om båda dess ingångar är 1, annars matar den ut en 0.

I forskarnas nya schema används två synkroniserade lasrar för att skapa skurar av antingen transienta eller permanenta strömmar, som fungerar som ingångarna till den logiska grinden. Dessa strömmar kan antingen lägga till eller ta bort varandra för att ge motsvarande 1 eller 0 som en utgång.

Och på grund av laserpulsernas extrema hastigheter kan den resulterande grinden arbeta med hastigheter i petahertz, vilket är en miljon gånger snabbare än de gigahertzhastigheter som dagens snabbaste datorchips klarar av.

Uppenbarligen är uppställningen mycket större och mer komplex än det enkla arrangemanget av transistorer som används för konventionella logiska grindar, och att krympa den ner till de skalor som krävs för att göra praktiska chips kommer att vara en enorm uppgift.

Men även om petahertz-datorer inte är runt hörnet snart, tyder den nya forskningen på att ljusvågselektronik kan vara en lovande och kraftfull ny väg att utforska för framtidens databehandling.

Bildkredit: University of Rochester / Michael Osadciw

• Myntsmart. Europas bästa bitcoin- och kryptobörs.
• Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligence. Kunskap förstärkt. FRI TILLGÅNG.
• CryptoHawk. Altcoin radar. Gratis provperiod.
• Källa: https://singularityhub.com/2022/05/23/new-logic-gates-are-a-million-times-faster-than-todays-chips/