Forskere udvikler helt optiske switches, der kan føre til hurtigere computerprocessorer

Konventionelle computerprocessorer har stort set maxet deres "urhastigheder" - en måling af, hvor hurtigt de kan tænde og slukke - på grund af begrænsningerne ved elektronisk skift. Forskere, der ønsker at forbedre computerprocessorer, er blevet fascineret af potentialet ved helt optisk switching, som bruger lys i stedet for elektricitet til at kontrollere, hvordan data behandles og lagres på en chip.

Forskere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory og Purdue University har for nylig skabt en ny slags optisk switch, der kunne realisere dette potentiale.

"Tidligere iterationer af optiske kontakter havde faste koblingstider, der blev 'bagt ind' i enheden ved dens fremstilling," sagde Argonnes Soham Saha, en af ​​laboratoriets Maria Goeppert Mayer postdoc-stipendiater, som arbejder i Argonne Center for Nanoscale Materials, en DOE Office of Science brugerfacilitet.

Saha og hans kolleger har lavet en optisk omskifter af to forskellige materialer, hver med en forskellig skiftetid. Det ene materiale, aluminiumdoteret zinkoxid, har en koblingstid i picosecond-området, mens det andet materiale, plasmonisk titaniumnitrid, har en koblingstid mere end hundrede gange langsommere i nanosekundområdet.

"Når du bruger optiske komponenter i stedet for elektroniske kredsløb, er der ingen resistiv-kapacitive forsinkelser, hvilket betyder, at du i teorien kunne betjene disse chips tusind gange hurtigere end konventionelle computerchips," sagde Saha.

Forskellen i skiftetider mellem de to metalkomponenter betyder, at switchen kan være mere fleksibel og overføre data hurtigt, mens den lagrer dem effektivt, ifølge Saha. "Switchens bimetalliske natur betyder, at den kan bruges til flere formål afhængigt af bølgelængden af ​​det lys, du bruger," sagde han. "Når du vil have langsommere applikationer, som f.eks. hukommelseslagring, skifter du med ét materiale; for hurtigere applikationer skifter du med den anden. Denne mulighed er ny."

I den eksperimentelle konfiguration fungerer kontaktens materialer som lysabsorbere eller reflektorer, afhængigt af driftens bølgelængde. Når de tændes af en lysstråle, skifter de tilstand.

Styring af hastigheden af ​​alle optiske switches er afgørende for at optimere deres ydeevne i forskellige applikationer. Disse resultater lover udviklingen af ​​meget tilpasningsdygtige og effektive switches inden for områder som forbedret fiberoptisk kommunikation, optisk databehandling og ultrahurtig videnskab.

Evnen til at justere switch-hastigheder bringer os også tættere på at bygge bro mellem optisk og elektronisk kommunikation, hvilket muliggør hurtigere og mere effektiv datatransmission.

Denne forskning giver værdifuld indsigt i den grundlæggende forståelse af helt optiske switches og baner vejen for design af avancerede enheder til computere og telekommunikation.

Et papir baseret på forskningen, "Enginering the temporal dynamics of all-optical switching with fast and slow materials," er offentliggjort i Nature Communications .

Flere oplysninger: Soham Saha et al., Engineering the temporal dynamics of all-optical switching med hurtige og langsomme materialer, Nature Communications (2023). DOI:10.1038/s41467-023-41377-5

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Argonne National Laboratory