Больше невозможно: ученые впервые определили физический предел максимальной скорости для оптоэлектронных схем в компьютерных чипах - значение, которое просто не может быть превышено. Соответственно, это ограничение скорости составляет около одного петагерца. Это соответствует одному миллиону гигагерц и примерно в 100 000 раз быстрее, чем лучшие на сегодняшний день транзисторы, как сообщает команда ученых в журнале "Nature Communications".
Наш все более оцифровываемый мир требует меньших по размеру и более мощных компьютерных чипов. Компоненты чипа, такие как транзисторы, теперь имеют размер всего несколько нанометров. Однако миниатюризация классических чисто электронных схем на основе кремния постепенно достигает своих пределов. Оптоэлектроника, использующая свет в качестве передатчика сигнала, предлагает альтернативу.
Лазерные импульсы используются в оптоэлектронных транзисторах для возбуждения электронов в полупроводниковом материале. Тем самым материал переводится из изолирующего состояния в проводящее и таким образом переключается с нуля на единицу. Скорость работы такой оптической схемы зависит от длины волны используемого света и материала. Например, оптоэлектронные чипы на основе кремния лучше всего переключать с помощью инфракрасных лазерных импульсов.
Тест скорости с УФ-лазером и диэлектриком
Но есть лучший способ: "Чем быстрее вы хотите двигаться, тем выше должна быть частота электромагнитного сигнала", - объясняет один из авторов исследования Мартин Шульце из Грацского технического университета. В то же время, однако, нужен материал, в котором расстояние между непроводящим нулевым состоянием и возбужденным проводящим состоянием достаточно велико, чтобы реагировать на эту более высокую энергию.
Для своих тестов скорости Шульце и Маркус Оссиандер из Института квантовой оптики общества Макса Планка и их коллеги использовали максимально быструю комбинацию лазера и материала.
В ходе эксперимента ученые определили, где находится максимально достижимая скорость оптоэлектронного чипа.
Больше одного петагерца невозможно
Результат: физический предел скорости сигнала достигается на уровне около одного петагерца - около миллиона гигагерц. Как сообщают Оссиандер и его коллеги, оптоэлектронные транзисторы не могут работать быстрее. Причина этого ограничения: при еще более быстрых сигнальных импульсах расстояния становятся слишком короткими, и передаваемая энергия больше не может быть определена достаточно точно.
Как близко можно подобраться к пределу скорости?
Однако ограничение скорости в один петагерц также означает, что с современными обычными транзисторами все еще есть возможности для улучшения: максимум, которого можно достичь, примерно в 100 000 раз быстрее. Однако сомнительно, что компьютерные чипы с такой максимальной производительностью когда-либо будут произведены: по мнению исследователей, реалистично достижимые технические верхние пределы, вероятно, намного ниже абсолютного предела скорости.
В любом случае, одно можно сказать наверняка: оптоэлектроника не будет быстрее, чем показали исследования - и еще предстоит увидеть, насколько близко будущие технологии подойдут к этому пределу.