An der Universität von Utah wurde ein Unsichtbarkeitsumhang für photonische Chips erstellt

Von Dan Hixson / College of Engineering der Universität von Utah Von Harry Potters unsichtbarem Mantel bis zu einem romulanischen Versteck, das ein Kriegsschiff im Star Trek-Universum unsichtbar machte, blieb Unsichtbarkeitsmagie das Ergebnis der Fantasien von Science-Fiction-Autoren und Träumern. Amerikanische Wissenschaftler haben beschlossen, diese ärgerliche Tatsache zu korrigieren, und den "Unsichtbarkeitsmantel" für den Photonenprozessor geschaffen.

Rajesh Menon, Professor am Institut für Elektronik und Computertechnik der Universität von Utah, und sein Team entwickelten eine Maskierungsbarriere für mikroskopische passive photonische Geräte - standardmäßige photonische Computerchip-Einheiten, die mit Lichtimpulsen anstelle von elektrischem Strom arbeiten -, um die Chips kleiner, schneller und in Zukunft viel weniger Energie zu verbrauchen .

Der Vorteil von photonischen Chips gegenüber modernem Silizium ist die Geschwindigkeit und der Verbrauch von weniger Energie. Folglich erzeugen sie auch weniger Wärme. In einem solchen Prozessor ist es möglich, die Dichte von photonischen Blöcken zu erhöhen, von denen jeder eine bestimmte Funktion analog zu Milliarden von Transistoren in modernen Siliziumchips erfüllt. Beispielsweise führt eine Gruppe von Blöcken einer Mikroschaltung Berechnungen durch, die andere verarbeitet Daten und so weiter.

Es gibt jedoch ein Problem: Wenn zwei photonische Blöcke zu nahe beieinander liegen, funktionieren sie nicht, da der Lichtverlust zwischen ihnen zu einem „Übersprechen“ führt, das einer Funkstörung ähnelt. Wenn Sie sie in einem bestimmten Abstand platzieren, wird das Problem gelöst, aber am Ende erhalten Sie einen großen Prozessor.

So fanden Menon und sein Team heraus, dass es möglich ist, eine spezielle Silizium-Nano-Barriere zwischen zwei photonischen Blöcken anzubringen, die als „Umhang“ und „Trick“ fungieren und sich vor dem anderen verstecken. „Wir haben ein Prinzip verwendet, das dem Unsichtbarkeitsumhang von Harry Potter ähnelt. Das Licht, das in ein Gerät eintritt, wird zurückgeleitet, wodurch die Abwesenheit eines "Nachbarn" simuliert wird. Es sieht aus wie eine Barriere - es lenkt das Licht zurück in das Originalgerät. Es ist irreführend, dass es andererseits nichts gibt “, sagt Rajesh Menon.

Daraus können wir schließen, dass Milliarden von photonischen Blöcken in einem Kristall platziert werden können. Da Photonenchips Photonen anstelle von Elektronen zur Datenübertragung verwenden, können sie möglicherweise 10- bis 100-mal weniger Energie verbrauchen. Es ist ratsam, solche Prozessoren in Rechenzentrums-Servern zu verwenden, die denen großer Unternehmen wie Google und Facebook ähneln, da sie viel Strom verbrauchen. Laut einer Studie des Lawrence Berkeley National Laboratory verbrauchten allein Rechenzentren 2014 70 Milliarden Kilowattstunden, was 1,8% des gesamten US-Stromverbrauchs entspricht. Experten zufolge wird der Gesamtverbrauch bis 2020 um weitere 4% steigen.

Photonische Prozessoren werden heute hauptsächlich in hochwertigen militärischen Geräten eingesetzt. Menon schlägt vor, dass dieselben Chips mehrere Jahre lang in Rechenzentren verwendet werden. Er glaubt auch, dass seine Entwicklung zur Lösung globaler Umweltprobleme beitragen wird: „Durch den Übergang von der Elektronik zur Photonik können wir Computer viel effizienter machen und letztendlich einen großen Einfluss auf die CO2-Emissionen und den Energieverbrauch aller Arten von Geräten haben. Jetzt versuchen viele Leute, dieses Problem zu lösen. “

Vor einem Jahr hat ein Team von Wissenschaftlern von Rajesh Menon geführt entwickeltDer ultrakompakte Strahlteiler ist das kleinste Gerät, das jemals entwickelt wurde, um Lichtwellen in zwei separate Informationsströme aufzuteilen. Seine Größe beträgt nur 2,4 x 2,4 Mikrometer. Dies ist ungefähr 1/50 der Breite eines menschlichen Haares und liegt nahe an der Grenze der physikalischen Möglichkeiten der Miniaturisierung solcher Vorrichtungen. Bisher wurde das kleinste Gerät dieses Typs als Strahlteiler mit einer Größe von mehr als 100 x 100 Mikrometern angesehen.

Diese Erfindung diente als eindeutiger Impuls für die Erzeugung schneller photonischer Chips. Photonik kann die Leistung und Geschwindigkeit von Maschinen millionenfach steigern: Supercomputer, Rechenzentrums-Server und Spezialgeräte, Autopilotsysteme in einem Auto und Technologie zur Erkennung von Objekten in Drohnen. Letztendlich sollte es sich um Consumer-Geräte handeln - Heimcomputer und Smartphones - sowie um Anwendungen verbessern: von Spielen bis zum Video-Streaming. Die ersten Photonik-Supercomputer auf Siliziumbasis werden derzeit bei Unternehmen wie Intel und IBM entwickelt. Sie werden Hybridchips verwenden, die teilweise aus traditionellen Siliziumelementen bestehen, zusammen mit neuen - photonischen.

Russische Wissenschaftler versuchen auch, bei der Entwicklung photonischer Geräte mit ihren westlichen Kollegen Schritt zu halten. Im Jahr 2015 haben Forscher der Moskauer Staatlichen Universität als Teil einer Gruppe ausländischer Wissenschaftler einen optischen Impulsschalter entwickelt. Eine Scheibe mit einem Durchmesser von 250 Nanometern kann in einer durch Femtosekunden berechneten Zeit arbeiten (1 Femtosekunde entspricht einer Millionstel einer Milliardstel Sekunde).

Ein wissenschaftlicher Artikel wurde am 9. November 2016 in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht.
DOI: 10.1038 / ncomms13126

Source: https://habr.com/ru/post/de398985/