Komputer na światło, nie na prąd? Brzmi jak sci-fi, ale czip już działa
Prąd zaczyna przegrywać z własnymi ograniczeniami. Nowy chip pokazuje, jak komputery przyszłości mogą przerzucić część pracy na światło i działać znacznie szybciej.
Komputery nie zwalniają dlatego, że elektrony nagle przestały działać. Problem w tym, że przesyłanie danych prądem coraz częściej oznacza ciepło, opóźnienia i ogromne zużycie energii. Właśnie dlatego naukowcy próbują przenieść część obliczeń i komunikacji do świata światła. Zespół z Monash University pokazał właśnie chip, który w jednym miejscu potrafi wygenerować, poprowadzić i odczytać informację niesioną przez fotony.
Chip nie wyrzuca elektronów, ale daje światłu większą rolę
Nowy układ nie jest klasycznym procesorem, który zastąpi CPU lub GPU w komputerze. Mówimy o nanoczipie optoelektronicznym, czyli takim, który łączy światło i elektronikę w jednym układzie.
Największy przełom polega na integracji trzech rzeczy, które wcześniej były trudne do połączenia w jednej kompaktowej strukturze. Chip potrafi wytwarzać specjalne sygnały świetlne, kierować je określonymi ścieżkami oraz zamieniać końcowy sygnał na odczyt elektryczny. Dla fotoniki zintegrowanej ma ogromne znaczenie. Samo wygenerowanie sygnału nie wystarczy, jeśli nie da się go poprowadzić. Samo prowadzenie światła nie wystarczy, jeśli później nie da się go precyzyjnie odczytać.
Taki układ jest więc bardziej demonstracją kompletnego toru informacyjnego niż pojedynczego efektu fizycznego. Światło nie jest tu ozdobą ani nośnikiem w kablu optycznym oddalonym od chipa. Staje się częścią samego procesu przetwarzania informacji na powierzchni układu.
Prąd zaczyna przegrywać z własnym sukcesem
Współczesne komputery są naprawdę imponujące, ale ich podstawowy problem robi się coraz bardziej fizyczny. Elektrony przesyłane przez metalowe ścieżki nie poruszają się za darmo. Im więcej danych trzeba przenieść między procesorami, pamięcią, akceleratorami AI i siecią, tym więcej energii zamienia się w ciepło. W centrach danych to jeden z głównych kosztów działania.
Sztuczna inteligencja jeszcze bardziej zaostrza ten problem. Modele AI nie tylko wykonują obliczenia, ale też bez przerwy przerzucają gigantyczne ilości danych. Coraz częściej ograniczeniem nie jest samo liczenie, do którego komputery zostały skonstruowane, lecz komunikacja między elementami systemu. Dane muszą dotrzeć tam, gdzie są potrzebne, a każdy taki ruch kosztuje energię i czas.
Światło ma tutaj kilka bardzo dużych zalet. Przede wszystkim potrafi przenosić ogromne ilości informacji, robi to niezwykle szybko i nie generuje takich strat jak przesyłanie sygnałów elektrycznych na coraz większe odległości wewnątrz układów. Właśnie dlatego od dawna wykorzystujemy je w światłowodach. Teraz badacze próbują wprowadzić elementy optyczne bezpośrednio do chipów, tak aby dane nie musiały być cały czas transportowane wyłącznie za pomocą elektronów.
Największą robotę robią tu atomowo cienkie materiały
Układ Monash University wykorzystuje materiały tak cienkie, że ich grubość liczona jest w pojedynczych warstwach atomowych. W pracy pojawiają się m.in. disiarczek wolframu i diselenek wolframu, należące do grupy dichalkogenków metali przejściowych. To materiały, które od lat są bardzo interesujące dla fizyków, bo w skali 2D potrafią mieć właściwości zupełnie inne niż klasyczne półprzewodniki.
Disiarczek wolframu może generować fotony zależne od doliny, gdy zostanie pobudzony odpowiednio dobranym światłem. Z kolei kilka warstw diselenku wolframu wykorzystano w roli fotodetektorów, które odczytują sygnał. Między nimi pracuje nanostruktura prowadząca światło w określonym kierunku.
Jest to więc przemyślana kanapka z kilku elementów. Atomowo cienka warstwa generuje sygnał, specjalna metasurface i falowód kierują go dalej, a kolejny ultracienki materiał zamienia go w odczyt elektryczny.
W tym miejscu pojawia się jeszcze jeden ważny element układu: metasurface. Między warstwą generującą sygnał a detektorem znajduje się nanostruktura odpowiedzialna za kierowanie światła. To właśnie metasurface, czyli sztucznie zaprojektowana powierzchnia pokryta bardzo małymi strukturami, które pozwalają precyzyjnie kontrolować zachowanie fotonów. Dzięki niej sygnał może zostać skierowany do odpowiedniego kanału falowodu zamiast rozchodzić się przypadkowo.
Chip prowadzi światło w jedną stronę
Jednym z najważniejszych wyników jest selektywne prowadzenie chiralnych fotonów. Chiralność oznacza, że obiekt lub zjawisko ma skrętność, podobnie jak prawa i lewa dłoń są swoimi odbiciami, ale nie da się ich nałożyć na siebie idealnie. W optyce chiralność może być związana z polaryzacją kołową światła.
W nowym układzie sygnały zależne od doliny mogą być kierowane w określone strony falowodu. Falowód to odpowiednik przewodu dla światła. Zamiast prowadzić elektrony, prowadzi fotony. Jeśli chip potrafi sprawić, że określony sygnał idzie w jedną stronę, a inny w drugą, zaczyna przypominać miniaturowy system sortowania informacji.
W publikacji podano bardzo wysoką selektywność polaryzacji, sięgającą 0,97. To oznacza, że układ bardzo skutecznie rozróżnia i prowadzi właściwe sygnały. Dla laboratorium to ważny parametr, bo pokazuje, że nie chodzi o ledwo zauważalny efekt, lecz o kontrolę na poziomie, który może mieć sens w dalszym projektowaniu urządzeń.
To właśnie ten element zbliża całość do powstania praktycznych układów. Informację trzeba nie tylko stworzyć, ale też posłać we właściwe miejsce bez mieszania kanałów.
Największa przeszkoda to produkcja i skala
Jak to zwykle przy takich odkryciach bywa, trzeba oddzielić piękno eksperymentu od realnego przemysłu. Układ działa, ale droga do masowej produkcji jest długa. Atomowo cienkie materiały trzeba wytwarzać w sposób powtarzalny, układać precyzyjnie na strukturach fotonicznych, integrować z istniejącymi procesami produkcji chipów i zapewnić stabilność działania przez długi czas.
Ważnym elementem jest tu samo układanie warstw. Badacze podkreślają, że zastosowali stosunkowo prostą metodę nakładania ultracienkich materiałów na metasurfaces, omijając problem bezpośredniego wzrostu materiału na skomplikowanych strukturach fotonicznych. To może ułatwiać dalsze prace, ale nie oznacza jeszcze, że technologia jest gotowa do produkcji w fabrykach półprzewodników.
Przeczytaj także:
Przemysł układów scalonych nie kocha rozwiązań, które działają tylko w pojedynczej próbce. Potrzebuje setek, tysięcy i milionów powtarzalnych układów. Musi znać tolerancje, trwałość, wydajność, koszty i kompatybilność z resztą elektroniki. Dopiero wtedy można mówić o technologii, która wyjdzie poza publikacje naukowe.
*Grafika wprowadzająca wygenerowana przez AI
