Крошечные энергосберегающий прибор для быстрого перенаправления света в компьютерные чипы

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их коллеги разработали оптический переключатель, который направляет свет от одного чипа к другому всего за 20 миллиардных доли секунды-быстрее, чем любое другое аналогичное устройство. Компактный переключатель работали на напряжении достаточно низкий для установки на недорогих кремниевых чипов и перенаправляет свет с минимальными потерями сигнала.

Рекордный переключатель производительность является важным новым шагом на пути к созданию компьютера, который использует свет для того чтобы обрабатывать информацию. Опираясь на частицы света-фотоны-для передачи данных в компьютер предлагает несколько преимуществ по сравнению с электронными коммуникациями. Фотоны летят быстрее, чем электроны и не тратить энергию на нагрев компонентов компьютера. Управление, что отходов тепла является основным препятствием к повышению производительности компьютера. Световые сигналы использовались на протяжении десятилетий, чтобы передавать информацию на большие расстояния с помощью оптического волокна, но волокна занимают слишком много места, чтобы быть использованы для переноса данных на компьютерный чип.

Новый коммутатор сочетает в себе нано-золота и кремния, оптические, электрические и механические компоненты, все плотно упакованы, чтобы направить свет в миниатюрном ипподроме, изменить его скорость и изменить направление движения. (Один нанометр-это миллиардная доля метра, или около одной сто-тысячной ширины человеческого волоса.) НИСТ-вела международная команда описывает сегодня устройства онлайн в науке.

Устройство имеет множество приложений, отмечает соавтор исследования Кристиан Хафнер из NIST, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и Университета штата Мэриленд. В водителя машины, выключатель может быстро перенаправить единый луч света, который должен постоянно сканировать все части проезжей части, чтобы измерить расстояние до других автомобилей и пешеходов. Устройство также может сделать его проще использовать более мощный световой схемы на основе вместо электричества основанные на использовании нейронных сетей. Эти системы искусственного интеллекта, моделирующие нейроны в человеческом мозге принимать решения о таких сложных задачах, как распознавание образов и управления рисками.

Новая технология также использует очень мало энергии для перенаправления световых сигналов. Эта функция может помочь реализовать мечту о квантовых вычислениях. Квантовый компьютер обрабатывает данные, хранящиеся в тонких взаимосвязей между специально подготовленной пары субатомных частиц. Однако, эти отношения очень хрупкие, требуя, чтобы управлять компьютером при сверхнизких температурах и низкой мощности, так что пары частиц беспокоили как можно меньше. Потому что новый оптический коммутатор требует мало энергии-в отличие от предыдущих оптических коммутаторов-это может стать неотъемлемой частью квантового компьютера.

Хаффнер и его коллеги, которые включают В. Аксюков и Анри адррес lezec из NIST, говорят, что их выводы могут удивить многих в научном сообществе, поскольку результаты противоречат устоявшимся представлениям. Некоторые исследователи считали, что опто-электро-механические переключатели не было бы практического смысла, поскольку они будут громоздкими, работают слишком медленно и требует напряжения слишком высок для компонентов компьютерных чипов терпеть.

Выключатель подвиги волновой природы света. Когда две одинаковые световые волны встречаются, они могут совмещать такие, что гребень одной волны выравнивает и укрепляет гребне друга, создавая яркий узор, известный как интерференция. Две волны также может быть точно в ногу, так что в долине одной волны отменяет гребне, и в результате темный рисунок — деструктивной интерференции.

В настройки команды, Луч света ограничивается путешествия внутри миниатюрного шоссе трубка-образный канал, известный как волновод. Этот линейный трассы спроектирована таким образом, что он имеет выход — часть света может выйти в треке-образной полости, всего несколько нанометров от травления в Кремниевой диска. Если свет имеет просто право длина волны, его можно обойти с ипподрома много раз, прежде чем покинуть кремния полости.

Переключатель имеет одно из важнейших компонентов: тонкой золотой оболочкой приостановлены лишь несколько десятков нанометров над кремниевый диск. Часть света, распространяющегося в утечках кремния ипподроме и поражает мембраны, вызывая групп электронов на мембране поверхности, колеблется. Эти колебания, известные как плазмоны, являются своеобразным гибридом между световой волны и электронной волны: осциллирующих электронов напоминают входящей световой волны в том, что они вибрируют с той же частотой, но они обладают гораздо меньшей длиной волны. Чем короче длина волны позволяет исследователям манипулировать плазмонов над наноразмерных расстояниях, значительно короче, чем длина исходной световой волны, до преобразования колебаний обратно в свет. Это, в свою очередь, позволяет оптически переключателя оставаться чрезвычайно компактный.

Путем изменения ширины зазора между кремниевой диск и Голд мембраны всего лишь несколько нанометров, исследователи могут задержать или перейти в фазу гибридной световой волны-в момент, когда волна достигает гребня или долину. Даже крохотные изменения ширины зазора, который команда выполняется путем электростатического изгиб золотой мембраны, резко изменили фазы.

В зависимости от того, сколько команда провела дополнительные или задержки фазы волны, когда она комбинируется с легкими до сих пор едут в трубчатые магистрали, два луча мешал либо конструктивно или деструктивно (см. анимацию). Если лучи света совпадают с конструктивно конфликтовать, свет будет продолжать в своем первоначальном направлении, перемещая вниз по трубе. Но если световые лучи разрушительно вмешиваться, отменяя друг друга, что путь перекрыт. Вместо этого, свет должен двигаться в другом направлении, определяемом ориентацией других волноводов, или маршруты, расположенный вблизи перекрыли путь. Таким образом, свет может быть включен по желанию любой из сотни других компьютерных чипов.

Ученые когда-то думали, что система плазмонных бы значительно ослабить световые сигналы, потому что фотоны проникнут в интерьере золото мембраны, где бы электроны поглощают значительную часть световой энергии.

Но исследователи уже доказали, что предположение неверно. Компактность устройства и конструкции, которые обеспечивают, что несколько фотонов будет проникать через мембраны привело к потере всего 2,5% от светового сигнала, по сравнению с 60% с предыдущих переключателей. Что переходит, хотя по-прежнему прототип, в пределах досягаемости коммерческих приложений.

Команда теперь работает для того чтобы сделать устройство еще меньше, сокращая расстояние между кремниевый диск и золотой мембраной. Это позволит еще больше снизить потери сигнала, что делает технологию еще более привлекательной для промышленности.

сделать разницу: спонсорские возможности