Ingeniører udvikler usynlighedskappe til højteknologiske behandlingschips

Fra Harry Potter's Cloak of Invisibility til den romulanske tilsløringsanordning, der gjorde deres krigsskib usynligt i "Star Trek, "usynlighedens magi var kun et produkt af science fiction-forfattere og drømmere.

Men University of Utah, lektor for elektrisk og computeringeniør Rajesh Menon og hans team har udviklet en tilsløringsenhed til mikroskopiske fotoniske integrerede enheder - byggestenene i fotoniske computerchips, der kører på lys i stedet for elektrisk strøm - i et forsøg på at gøre fremtidige chips mindre , hurtigere og bruger meget mindre strøm.

Menons opdagelse blev offentliggjort online onsdag i den seneste udgave af det videnskabelige tidsskrift, Naturkommunikation . Artiklen er skrevet af University of Utah ph.d.-studerende Bing Shen og Randy Polson, senior optisk ingeniør i U's Utah Nanofab.

Fremtiden for computere, datacentre og mobile enheder vil involvere fotoniske chips, hvor data bliver shuttlet rundt og behandlet som lysfotoner i stedet for elektroner. Fordelene ved fotoniske chips i forhold til nutidens silicium-baserede chips er, at de vil være meget hurtigere og forbruger mindre strøm og derfor afgiver mindre varme. Og inde i hver chip er potentielt milliarder af fotoniske enheder, hver med en specifik funktion på nogenlunde samme måde, som milliarder af transistorer har forskellige funktioner inde i nutidens siliciumchips. For eksempel, en gruppe af enheder ville udføre beregninger, en anden ville udføre bestemt behandling, og så videre.

Problemet, imidlertid, hvis to af disse fotoniske enheder er for tæt på hinanden, de vil ikke fungere, fordi lyslækagen mellem dem vil forårsage "crosstalk" meget ligesom radiointerferens. Hvis de er placeret langt fra hinanden for at løse dette problem, du ender med en chip, der er alt for stor.

Så Menon og hans team opdagede, at du kan placere en speciel nanomønstret siliciumbaseret barriere mellem to af de fotoniske enheder, der fungerer som en "kappe" og narre den ene enhed fra ikke at se den anden.

"Princippet, vi bruger, ligner det for Harry Potters usynlighedskappe, Menon siger. "Alt lys, der kommer til en enhed, bliver omdirigeret tilbage, som for at efterligne situationen, hvor der ikke er en enhed i nærheden. Det er som en barriere – det skubber lyset tilbage i den originale enhed. Det bliver narret til at tro, at der ikke er noget på den anden side."

Følgelig, milliarder af disse fotoniske enheder kan pakkes ind i en enkelt chip, og en chip kan indeholde flere af disse enheder for endnu mere funktionalitet. Og da disse fotoniske chips bruger lysfotoner i stedet for elektroner til at overføre data, som opbygger varme, disse chips kunne potentielt forbruge 10 til 100 gange mindre strøm, hvilket ville være en velsignelse for steder som datacentre, der bruger enorme mængder elektricitet.

Menon mener, at den mest umiddelbare anvendelse for denne teknologi og for fotoniske chips generelt vil være til datacentre svarende til dem, der bruges af tjenester som Google og Facebook. Ifølge en undersøgelse fra det amerikanske energiministeriums Lawrence Berkeley National Laboratory, datacentre kun i USA forbrugte 70 milliarder kilowatttimer i 2014, eller omkring 1,8 procent af det samlede amerikanske elforbrug. Og det strømforbrug forventes at stige yderligere 4 procent i 2020.

"Ved at gå fra elektronik til fotonik kan vi gøre computere meget mere effektive og i sidste ende få stor indflydelse på kulstofemissioner og energiforbrug til alle mulige ting, Menon siger. "Det har en stor indflydelse, og mange mennesker forsøger at løse det."

I øjeblikket, fotoniske enheder bruges mest i avanceret militærudstyr, og han forventer, at fuld fotonik-baserede chips vil blive ansat i datacentre inden for et par år.