编译 | 光子芯片将成为电子行业的未来

航天发展 浏览次数: 2016-12-02 17:54

在技术领域,21世纪最重要的问题之一是:我们到底能制造多小的晶体管?如果它们有一个尺寸的极限,那么在这个点上,我们可能就没法持续制造出更小,更强,更有效率的'...

在技术领域,21世纪最重要的问题之一是:我们到底能制造多小的晶体管?如果它们有一个尺寸的极限,那么在这个点上,我们可能就没法持续制造出更小,更强,更有效率的设备了。这是一个仅在美国就能达到2000亿美元收入的行业。它会停止增长吗?

在过去四十年里,“摩尔定律”一直推动着电子行业的发展,与其说是定律,不如说它是公理或推测。“摩尔定律”是指每两年,电子设备的速度和性能会提升一倍。实际上,每年科技公司都会推出更新、更快、更智能、更好的电子产品。

摩尔定律是由英特尔(Intel)创始人之一戈登?摩尔(Gordon Moore)提出来的,其内容是,“每隔24个月芯片上晶体管的数目就会增加一倍,”晶体管,微型电流开关,是电子产品中的最基本单元。它们的尺寸越来越小,速度也变得越来越快,而且消耗的电力更少。

在技术领域,21世纪最重要的问题之一是:我们到底能制造多小的晶体管?

接近极限

目前,像英特尔这样的公司,正在生产14纳米的晶体管(仅比DNA分子宽14倍)。它们是由硅制成的,硅是我们这个星球上第二丰富的材料。硅原子的尺寸约为0.2纳米。

今天的晶体管大约70个硅原子的宽度,我们正在接近我们可以制造的晶体管尺寸的极限

目前,晶体管使用电子信号——依赖电子的移动来工作。但如果我们能够利用光(由光子组成而不是电子),我们就能让晶体管的速度更快。我们的工作,寻找方法将现有芯片与光基技术整合,是我们努力的一部分。

用光处理信息

一个晶体管有三个部分,举个例子,把它们当作数码相机的组成部分。首先,信息进入透镜,相当于晶体管的源头。然后,它通过通道从摄像传感器传送到相机内的电线。最后,信息存储在相机的存储卡上,被称为晶体管的“漏极”,这里是信息的终点。

现在,所有这一切都是通过电子的移动才发生的。如果将光作为替代媒介,我们就需要移动光子而不是电子。亚原子粒子,如电子和光子在运动中都有波动,即使它们朝着一个方向运动,也会出现上下震动。每一个波的长度取决于光子或电子传播通过的介质。

在硅中,光子最有效的波长是1.3微米。这是非常小的,一个人的头发只有100微米左右。但是硅中的电子尺寸更小——比光子的波长小50-100倍。

这意味着光子设备比我们现在使用的电子设备要大的多。因此,看起来好像要我们制造更大的晶体管,而不是更小的。

但是,我们可以从两个方面入手,让芯片的尺寸保持不变,处理能力提高;保持同样性能的同时,缩小芯片的尺寸,或者两者共存。一方面,光子芯片只需要几个光源,产生光子,然后通过微小的透镜和反射镜就能让光子到达芯片上,从而驱动芯片工作。

另一方面,光的速度比电子快的多。在一个芯片上,平均来说,光子的速度是电子的20倍。这意味着计算机的运行速度快20倍,如果按照目前技术的发展速度,这样的速度提升需要花15年的时间。

最近几年,科学家们已经证实了光子芯片的进展。一个关键的挑战是,确保新的光子芯片可以与所有现有的电子芯片一起工作。如果我们可以做到这一点,或者仅仅使用光基技术晶体管来提高电子晶体管的性能,我们也可以看到显著的性能提升。

我们什么时候才能用上

光基技术的笔记本电脑或智能手机?

在首个消费设备上市之前,我们还有许多工作要做,技术进步需要时间。首个真空三级管诞生于1907年,尺寸是1到6英尺(平均10毫米)高。现在类型的晶体管(目前尺寸达到14纳米左右)发明于1947年,它的尺寸是40微米长(比现在的晶体管长3000倍)。1971年首个商业微处理器刚刚问世时,比我们现在的微处理器大1000倍。

电子行业中大量的研究工作和重大发展,所有这一切在光子行业中才刚刚开始。因此,目前的电子设备可以执行比光子设备更加复杂的任务。但是,随着研究的深入,光的能力将赶上并最终超越电子的速度。无论这一切要经历多长时间,光子学的未来都是光明的。

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