Die Zukunft der Elektronik ist Licht

Das Licht der Zukunft ist organisch! - Wie entstehen OLED und Organische Solarzellen im Labor? (Juli 2019).

Anonim

In den vergangenen vier Jahrzehnten wurde die Elektronikindustrie durch das sogenannte Mooresche Gesetz angetrieben, das kein Gesetz, sondern mehr ein Axiom oder eine Beobachtung ist. Effektiv schlägt es vor, dass die elektronischen Geräte ungefähr alle zwei Jahre ihre Geschwindigkeit und Leistungsfähigkeit verdoppeln. Und in der Tat, jedes Jahr kommen Tech-Unternehmen mit neuen, schnelleren, intelligenteren und besseren Gadgets auf.

Das Moore'sche Gesetz, wie es der Mitbegründer von Intel, Gordon Moore, formuliert hat, lautet: "Die Anzahl der in einem Chip integrierten Transistoren wird sich ungefähr alle 24 Monate verdoppeln." Transistoren, winzige elektrische Schalter, sind die grundlegende Einheit, die alle elektronischen Geräte antreibt, die wir uns vorstellen können. Wenn sie kleiner werden, werden sie auch schneller und verbrauchen weniger Strom für den Betrieb.

In der Technologiewelt ist eine der größten Fragen des 21. Jahrhunderts: Wie klein können wir Transistoren herstellen? Wenn es eine Grenze dafür gibt, wie klein sie werden können, können wir einen Punkt erreichen, an dem wir nicht länger kleinere, leistungsfähigere und effizientere Geräte bauen können. Es ist eine Branche mit einem jährlichen Umsatz von mehr als 200 Milliarden US-Dollar allein in den USA. Könnte es aufhören zu wachsen?

Bis ans Limit kommen

Gegenwärtig produzieren Unternehmen wie Intel Transistoren mit einer Größe von 14 Nanometern - 14 mal breiter als DNA-Moleküle. Sie bestehen aus Silizium, dem zweithäufigsten Material auf unserem Planeten. Die Atomgröße von Silizium beträgt etwa 0, 2 Nanometer.

Die heutigen Transistoren sind etwa 70 Siliziumatome breit, so dass die Möglichkeit, sie noch kleiner zu machen, selbst schrumpft. Wir nähern uns der Grenze, wie klein wir einen Transistor machen können.

Gegenwärtig verwenden Transistoren elektrische Signale - Elektronen, die sich von einem Ort zu einem anderen bewegen -, um zu kommunizieren. Aber wenn wir Licht anstelle von Elektrizität aus Photonen verwenden könnten, könnten wir die Transistoren noch schneller machen. Meine Arbeit, Möglichkeiten zu finden, die Licht-basierte Verarbeitung mit bestehenden Chips zu integrieren, ist Teil dieser neuen Bemühungen.

Licht in einen Chip setzen

Ein Transistor hat drei Teile; denke an sie als Teile einer Digitalkamera. Zuerst kommt Information in die Linse, analog zur Quelle eines Transistors. Dann wandert es durch einen Kanal vom Bildsensor zu den Drähten in der Kamera. Und schließlich wird die Information auf der Speicherkarte der Kamera gespeichert, die als "Drain" eines Transistors bezeichnet wird - wo die Information letztendlich endet.

Im Moment passiert das alles, indem man Elektronen bewegt. Um Licht als Medium zu ersetzen, müssen wir stattdessen Photonen bewegen. Subatomare Teilchen wie Elektronen und Photonen wandern in einer Wellenbewegung und schwingen auf und ab, selbst wenn sie sich in eine Richtung bewegen. Die Länge jeder Welle hängt davon ab, was sie durchläuft.

In Silizium ist die effizienteste Wellenlänge für Photonen 1, 3 Mikrometer. Das ist sehr klein - ein menschliches Haar ist etwa 100 Mikrometer groß. Aber Elektronen in Silizium sind noch kleiner - mit Wellenlängen, die 50 bis 1000 mal kürzer sind als Photonen.

Dies bedeutet, dass die Ausrüstung für den Umgang mit Photonen größer sein muss als die heutigen Geräte zur Handhabung von Elektronen. Es könnte also so aussehen, als würde es uns zwingen, größere Transistoren als kleinere zu bauen.

Aus zwei Gründen könnten wir jedoch die Chips gleich groß halten und mehr Rechenleistung liefern, Chips schrumpfen und dabei die gleiche Leistung liefern oder möglicherweise beides. Erstens benötigt ein photonischer Chip nur wenige Lichtquellen und erzeugt Photonen, die dann mit sehr kleinen Linsen und Spiegeln um den Chip herum geleitet werden können.

Und zweitens ist Licht viel schneller als Elektronen. Im Durchschnitt können sich Photonen etwa 20-mal schneller bewegen als Elektronen in einem Chip. Das bedeutet 20-mal schnellere Computer, eine Geschwindigkeitserhöhung, die mit heutiger Technologie etwa 15 Jahre dauern würde.

Wissenschaftler haben in den letzten Jahren Fortschritte bei photonischen Chips gezeigt. Eine wichtige Herausforderung besteht darin, sicherzustellen, dass die neuen lichtbasierten Chips mit allen vorhandenen elektronischen Chips arbeiten können. Wenn wir in der Lage sind, dies zu erreichen - oder sogar lichtbasierte Transistoren zu verwenden, um elektronische zu verbessern - könnten wir eine deutliche Leistungsverbesserung sehen.

Wann bekomme ich einen lichtbasierten Laptop oder ein Smartphone?

Bis das erste Consumer-Gerät auf den Markt kommt, ist noch viel zu tun, und der Fortschritt braucht Zeit. Der erste Transistor wurde im Jahr 1907 unter Verwendung von Vakuumröhren hergestellt, die typischerweise zwischen 1 und 6 Zoll hoch waren (durchschnittlich 100 mm). Im Jahr 1947 wurde der derzeitige Typ des Transistors - der jetzt nur 14 Nanometer Durchmesser hat - erfunden und er war 40 Mikrometer lang (etwa 3000 mal länger als der aktuelle). Und 1971 war der erste kommerzielle Mikroprozessor (das Kraftpaket eines elektronischen Geräts) 1000 Mal größer als heute, als er veröffentlicht wurde.

Die enormen Forschungsbemühungen und die konsequente Evolution in der Elektronikindustrie beginnen erst in der Photonenindustrie. Infolgedessen kann die gegenwärtige Elektronik Aufgaben ausführen, die viel komplexer sind als die besten gegenwärtigen photonischen Vorrichtungen. Aber mit fortschreitender Forschung wird die Fähigkeit des Lichts die Geschwindigkeit der Elektronik auffangen und schließlich übertreffen. Wie lange es auch dauert, bis es soweit ist, ist die Zukunft der Photonik glänzend.

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