光子取代電子?未來計算機處理器將變得更小更快!

2020-12-03 環球創新智慧

導讀

據澳大利亞雪梨大學官網近日報導，該校研究人員與德國科學家開發出一種模塊化方法來設計納米器件。他們將最好的傳統晶片設計與光子架構結合到一個混合結構中。該混合方案允許在納米尺度上操控光線，而且器件尺寸能縮小100倍。

背景如今，人類正處於一個信息大爆炸的年代，使用和生產的數據都在急劇增長。

（圖片來源：謝菲爾德大學）

如此龐大的數據，使我們對於能源效率和通信帶寬的要求越來越高。然而，基於「電」的傳統電晶體技術正在迅速逼近其物理極限。作為一種替代方案，「光」正在逐漸佔據計算機與電信領域中信息處理的領導地位。

（圖片來源：RMIT）

與電子相比，光子穿越材料時不會產生熱量，可有效降低能耗。此外，用光通信代替電通信，能使晶片上和晶片間的通信速度增加千倍。

（圖片來源：Getty Images）

光子已經成為通過光纖進行洲際通信的黃金標準，正在取代電子成為整個光網絡中信息的主要載體，並進入計算機本身非常核心的地方。

光纖（圖片來源：維基百科）

然而，要想完成從電子到光子的轉變，我們還需要克服大量的工程障礙。支持光的工業標準矽電路，比現代電子電晶體大一個數量級。一種解決方案就是採用「金屬波導」壓縮光線。然而，這不僅需要新的製造設施，而且光線與金屬在晶片上相互作用的方式，意味著光子很容易丟失。

創新

近日，澳大利亞與德國的科學家已經開發出一種模塊化方法來設計納米器件。他們將最好的傳統晶片設計與光子架構結合在一個混合結構中，來幫助克服這些問題。他們的研究於5月15日發表在《自然通信（Nature Communications）》期刊上。

技術

這種混合方案允許在以納米（十億分之一米）尺度上操控光線。科學家們已經證明，他們可以在比攜帶信息的光波長小100倍的情況下實現數據操作。

使用金屬的片上納米器件（稱為「等離子體」器件）實現了傳統光子器件無法實現的功能。最值得注意的是，它們將光線有效地壓縮至幾十億分之一米，從而實現了極大增強、無幹擾的光與物質相互作用。

這種模塊化方案允許晶片中的光偏振快速旋轉，這種旋轉迅速使得納米聚焦降低至波長的約百分之一。

絕緣體上矽混合等離子體電路的簡略圖和掃描電子顯微照片（圖片來源：參考資料【1】）

價值

雪梨大學納米研究所與物理學院的論文領導作者亞歷山德羅·圖尼茲（Alessandro Tuniz）博士表示：「我們在工業標準的矽光子系統和金屬基波導之間架設了一座橋梁。這種波導在保持效率的同時，尺寸可以縮小100倍。」

圖尼茲博士還說：「這項技術不僅帶來革命性的通用處理，而且對納米光譜、原子尺度傳感和納米探測器等專門的科學過程也非常有用。」然而，他們的通用功能由於依賴專項設計（ad hoc designs）而受到阻礙。

圖尼茲博士表示：「我們已經證明，兩個單獨的設計可以結合到一起，增強以前沒有特殊功能的普通晶片。」

雪梨大學副教授、雪梨大學納米研究所納米光子學領頭人、論文合著者之一的斯特凡諾·帕隆巴（Stefano Palomba）表示：「這種效率和小型化對於將計算機處理轉變為基於光的處理來說及其重要。它也對開發量子光學信息系統非常有用，量子光學信息系統對於未來量子計算機來說是一個很有前景的平臺。最終，我們預計光子信息將遷移到現代計算機的心臟CPU中。IBM公司已經制定了這樣的願景。」

量子光子集成電路（圖片來源：Ali Adibi, 喬治亞理工學院）

雪梨大學光子與光科學研究所主任馬蒂金·德·斯特克（Martijn de Sterke）教授表示：「未來的信息處理，很可能涉及使用金屬的光子，從而允許我們將光線壓縮至納米尺度，並將這些設計集成到傳統矽光子學中。」

關鍵字

納米、光子、晶片

參考資料

【1】Alessandro Tuniz, Oliver Bickerton, Fernando J. Diaz, Thomas Ksebier, Ernst-Bernhard Kley, Stefanie Kroker, Stefano Palomba, C. Martijn de Sterke. Modular nonlinear hybrid plasmonic circuit. Nature Communications, 2020; 11 (1) DOI: 10.1038/s41467-020-16190-z

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