Fremtiden for elektronik er lys

I de sidste fire årtier har elektronikindustrien er blevet drevet af det, der kaldes "Moores lov, "som ikke er en lov, men mere et aksiom eller observation. Effektivt, det tyder på, at de elektroniske enheder fordobles i hastighed og kapacitet cirka hvert andet år. Og faktisk, hvert år kommer tech -virksomheder med nye, hurtigere, smartere og bedre gadgets.

Specifikt, Moores lov, som artikuleret af Intel -medstifter Gordon Moore, er, at "Antallet af transistorer, der er inkorporeret i en chip, vil cirka fordobles hver 24. måned." Transistorer, små elektriske kontakter, er den grundlæggende enhed, der driver alle de elektroniske gadgets, vi kan tænke på. Når de bliver mindre, de bliver også hurtigere og bruger mindre strøm til at fungere.

I den teknologiske verden, et af de største spørgsmål i det 21. århundrede er:Hvor små kan vi lave transistorer? Hvis der er en grænse for, hvor små de kan blive, vi kan nå et punkt, hvor vi ikke længere kan fortsætte med at gøre mindre, mere magtfuld, mere effektive enheder. Det er en industri med mere end 200 milliarder dollars i årlig omsætning i USA alene. Kan det stoppe med at vokse?

Kom tæt på grænsen

På nuværende tidspunkt, virksomheder som Intel masseproducerer transistorer på 14 nanometer på tværs-kun 14 gange bredere end DNA-molekyler. De er lavet af silicium, det næststørste materiale på vores planet. Siliciumets atomstørrelse er omkring 0,2 nanometer.

Dagens transistorer er omkring 70 siliciumatomer brede, så muligheden for at gøre dem endnu mindre er i sig selv svindende. Vi kommer meget tæt på grænsen for, hvor lille vi kan lave en transistor.

På nuværende tidspunkt, transistorer bruger elektriske signaler - elektroner, der bevæger sig fra et sted til et andet - til at kommunikere. Men hvis vi kunne bruge lys, består af fotoner, i stedet for elektricitet, vi kunne gøre transistorer endnu hurtigere. Mit arbejde, om at finde måder at integrere lysbaseret behandling med eksisterende chips, er en del af den begyndende indsats.

Sætter lys inde i en chip

En transistor har tre dele; tænk på dem som dele af et digitalkamera. Først, information kommer ind i linsen, analog med en transistors kilde. Derefter bevæger den sig gennem en kanal fra billedsensoren til ledningerne inde i kameraet. Og endelig, oplysningerne gemmes på kameraets hukommelseskort, som kaldes en transistors ”afløb” - hvor informationen i sidste ende ender.

Lige nu, alt dette sker ved at flytte elektroner rundt. For at erstatte lys som medium, vi er faktisk nødt til at flytte fotoner i stedet. Subatomiske partikler som elektroner og fotoner bevæger sig i en bølgebevægelse, vibrerer op og ned, selvom de bevæger sig i en retning. Længden af ​​hver bølge afhænger af, hvad den rejser igennem.

I silicium, den mest effektive bølgelængde for fotoner er 1,3 mikrometer. Dette er meget lille - et menneskehår er omkring 100 mikrometer på tværs. Men elektroner i silicium er endnu mindre - med bølgelængder 50 til 1, 000 gange kortere end fotoner.

Det betyder, at udstyret til at håndtere fotoner skal være større end de elektronhåndteringsenheder, vi har i dag. Så det kan virke som om det ville tvinge os til at bygge større transistorer, frem for mindre.

Imidlertid, af to grunde, vi kunne beholde chips i samme størrelse og levere mere processorkraft, krympe chips og samtidig give den samme effekt, eller, potentielt begge. Først, en fotonisk chip har kun brug for få lyskilder, genererer fotoner, der derefter kan dirigeres rundt om chippen med meget små linser og spejle.

Og for det andet, lys er meget hurtigere end elektroner. I gennemsnit kan fotoner rejse omkring 20 gange hurtigere end elektroner i en chip. Det betyder computere, der er 20 gange hurtigere, en hastighedsforøgelse, der ville tage omkring 15 år at opnå med den nuværende teknologi.

Forskere har vist fremskridt i retning af fotoniske chips i de seneste år. En vigtig udfordring er at sikre, at de nye lysbaserede chips kan fungere med alle de eksisterende elektroniske chips. Hvis vi er i stand til at finde ud af, hvordan vi gør det-eller endda at bruge lysbaserede transistorer til at forbedre elektroniske-kunne vi se en betydelig ydelsesforbedring.

Hvornår kan jeg få en lysbaseret bærbar computer eller smartphone?

Vi har stadig et stykke vej at gå, før den første forbrugerenhed når markedet, og fremskridt tager tid. Den første transistor blev lavet i år 1907 ved hjælp af vakuumrør, som typisk var mellem en og seks tommer høje (i gennemsnit 100 mm). I 1947, den nuværende type transistor - den der nu kun er 14 nanometer på tværs - blev opfundet, og den var 40 mikrometer lang (ca. 3, 000 gange længere end den nuværende). Og i 1971 var den første kommercielle mikroprocessor (kraftværket for enhver elektronisk gadget) 1, 000 gange større end i dag, da den blev udgivet.

Den store forskningsindsats og den deraf følgende udvikling set i elektronikindustrien starter kun i den fotoniske industri. Som resultat, nuværende elektronik kan udføre opgaver, der er langt mere komplekse end de bedste aktuelle fotoniske enheder. Men som forskningen skrider frem, lysets evne vil indhente, og i sidste ende overgå, elektronikkens hastigheder. Hvor lang tid det end tager at komme dertil, fremtiden for fotonik er lys.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort på The Conversation. Læs den originale artikel.