比传统晶体管快1000倍的“开关”

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2021-10-08 09:01

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 编译自 skoltech 」,谢谢。


最近,由 Skoltech 和 IBM 领导的一个国际研究团队创造了一种极其节能的光开关,它可以取代操纵光子而不是电子的新一代计算机中的电子晶体管。除了直接省电之外,该开关不需要冷却,而且速度非常快:每秒 1 万亿次操作,比当今一流的商用晶体管快 100 到 1,000 倍。这项研究最近发表在《自然》杂志上。


该研究的第一作者 Anton Zasedatelev 博士评论说:“新设备如此节能的原因在于它只需要几个光子即可切换。” “事实上,在我们的 Skoltech 实验室中,我们在室温下仅用一个光子就实现了切换!也就是说,在全光协处理器中使用这种原理验证演示还有很长的路要走,”Skoltech 混合光子学实验室负责人 Pavlos Lagoudakis 教授补充道。

由于光子是自然界中存在的最小的光粒子,因此就功耗而言,除此之外确实没有太大的改进空间。大多数现代电子晶体管需要数十倍的能量来切换,而使用单电子实现可比效率的晶体管则要慢得多。

除了性能问题之外,竞争性节能电子晶体管还往往需要庞大的冷却设备,这反过来又会消耗功率并影响运营成本。新开关可在室温下方便地工作,因此可以避免所有这些问题。

除了其主要的类似晶体管的功能外,该开关还可以作为一个组件,通过以光信号的形式在设备之间穿梭数据来连接设备。它还可以用作放大器,将入射激光束的强度提高多达 23,000 倍。

从眼里上看,该设备依靠两个激光将其状态设置为“0”或“1”并在它们之间切换。非常微弱的控制激光束用于打开或关闭另一束更亮的激光束。它只需要控制光束中的几个光子,因此该设备的效率很高。

转换发生在微腔内——一种夹在高反射无机结构之间的 35 纳米薄有机半导体聚合物。微腔的构建方式可以将入射光尽可能长时间地困在内部,以利于其与腔材料的耦合。

这种光物质耦合构成了新设备的基础。当光子强烈耦合到腔材料中的束缚电子-空穴对(即激子)时,就会产生称为激子-极化子的短寿命实体,它们是开关操作核心的一种准粒子。

当pump laser——两者中较亮的一个——照射在开关上时,这会在同一位置产生数千个相同的准粒子,形成所谓的玻色-爱因斯坦凝聚(Bose-Einstein condensate),它编码了“0”和“1”的逻辑状态装置。

为了在设备的两个级别之间切换,该团队使用控制激光脉冲在pump laser脉冲到达之前不久对冷凝物进行 seeding 。结果,它刺激了pump laser的能量转换,增加了凝聚物中准粒子的数量。那里的大量粒子对应于设备的“1”状态。

研究人员使用了几项调整来确保低功耗:首先,半导体聚合物分子的振动有助于有效切换。诀窍是将pumped态和condensate 态之间的能隙与聚合物中一种特定分子振动的能量相匹配;其次,该团队设法找到了将激光调谐到的最佳波长,并实施了一种新的测量方案,可实现单次冷凝检测;第三,控制laser seeding the condensate及其检测方案以抑制设备“背景”发射噪声的方式进行匹配。这些措施最大限度地提高了设备的信噪比水平,并防止微腔吸收过多的能量,这只会通过分子振动来加热它。

“我们还有一些工作要做,以降低我们设备的整体功耗,目前主要由保持开关开启的pump laser主导。实现这一目标的途径可能是钙钛矿超晶( perovskite supercrystal)材料,就像我们与合作者正在探索的那样。由于它们强的光物质耦合,它们已被证明是优秀的候选者,这反过来又以超荧光的形式导致强大的集体量子响应,”该团队评论道。

从更大的角度来看,研究人员认为他们的新开关只是他们过去几年组装的不断增长的全光学组件工具包中的一个。其中,它包括一个低损耗硅波导,用于在晶体管之间来回传输光信号。这些组件的发展使我们离操纵光子而不是电子的光学计算机更近了一步,从而带来了极其优越的性能和更低的功耗。Skoltech 的研究得到了俄罗斯科学基金会 (RSF) 的支持。除了 Skoltech 和 IBM,该研究还邀请了杜霍夫自动化研究所、MIPT、RAS 光谱研究所、NRU 高等经济学院、伍珀塔尔大学和南安普敦大学的研究人员。


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