Yeni Nesil Optik Transistörler

Yeni Nesil Optik Transistörler

Elektronik ve bilgisayar teknolojisinin şüphesiz en önemli dönüm noktası 1947 yılında Bell laboratuvarlarında John Bardeen, Walter Brattain ve William Shockley’in ilk çalışan transistoru icat etmeleri olmuştur. Günümüze kadar gelen yarı iletken tabanlı transistörler fiziksel sınırların sonuna geldiler. Özellikle yapay zeka yazılımların çalışmasını uygun maliyetlerle sağlayacak yeni nesil daha hızlı işlemcilere ihtiyaç olduğu kesin.

Moore Yasası

1965 yılında Gordon Moore tarafından ortaya atılan her iki yılda bir transistor sayısının ikiye katlanacağı ile ilgili ön görüsü “Moore Yasası” olarak tarihe geçti. Ancak, bu yasa fiziksel sınırlamalar nedeniyle son yıllarda zorluklarla karşılaştı. Transistörlerin boyutları nanometre ölçeğine indirildiğinde, kuantum etkileri önemli hale gelir. Elektronlar, kuantum tünelleme adı verilen bir etki nedeniyle, transistörler arasındaki bariyerleri aşabilirler. Bu, transistörlerin daha fazla küçültülmesini zorlaştırır. Ayrıca, transistörlerin boyutları küçüldükçe, daha fazla ısı üretilir. Bu ısıyı dağıtmak zorlaşır ve bu da performansı ve güvenililiği etkileyebilir. Son olarak, transistörlerin boyutlarını küçültmek ve daha fazla transistör eklemek, artan maliyetlere yol açar. Bu, Moore Yasası’nın ekonomik sürdürülebilirliğini de sorgulamaktadır.

Bu nedenlerle, birçok endüstri gözlemcisi ve bilim insanı, Moore Yasası’nın sonuna yaklaştığımızı ve gelecekteki performans artışlarının yeni ve yenilikçi teknolojilerden, örneğin kuantum bilgisayarlar, fotonik bilgisayarlar veya yeni hesaplama paradigmalardan (örneğin, nöromorfik hesaplama) gelmesi gerektiğini belirtmektedir.

Yeni Nesil Optik Transistörler

Bu konuda ABD / Arizona Üniversitesi’nden Mohammed Hassan tarafından Şubat ayında bir makale paylaşıldı. Bu makalede lazer tabanlı optik transistörler, kullanılarak verinin ışık hızında, neredeyse kayıpsız ve çok az gürültü ile aktarabildikleri belirtiliyor. Elektrik akımı yerine ışık kullanılan bu yöntemde  hız artışı nın mevcut teknolojinin yaklaşık 1 milyon katı olduğu belirtiliyor. Makalenin detayını aşağıda bulabilirsiniz.

Son birkaç on yılda, bilim insanları ve mühendisler, modern elektronik ve dijital iletişim teknolojilerinin temelini oluşturan daha hızlı transistörler geliştirmek için çalıştılar. Bu çabalar, özel elektriksel özelliklere sahip bir malzeme kategorisi olan yarı iletkenlere dayanmaktadır. Silikon, bu tür malzemenin en iyi bilinen örneğidir.

Ancak yaklaşık bir on yıl önce, bilimsel çabalar yarı iletken tabanlı transistörlerin hız sınırına ulaştı. Araştırmacılar, elektronları bu malzemelerden daha hızlı hareket ettiremiyorlar. Mühendisler, bir akımı silikon üzerinden taşımanın hız sınırlarını ele almak için daha kısa fiziksel devreler tasarlamaya çalışıyor – temelde elektronların daha az mesafe kat etmeleri için çalışıyorlar. Bir çipin hesaplama gücünü artırmak için, transistör sayısını artırmak gerekir. Ancak, araştırmacılar transistörleri çok küçük hale getirebilseler bile, insanların ve işletmelerin ihtiyaç duyacağı daha hızlı işlem ve veri aktarım hızları için yeterince hızlı olmayacaklar.

Mohammed Hassan dahil olduğu  araştırma grubunun çalışması, verileri daha hızlı bir şekilde taşımanın yollarını geliştirmeyi hedefliyor, bu da serbest alanda ve optik fiberde ultra hızlı lazer darbeleri kullanıyor. Lazer ışığı, neredeyse hiç kayıp olmadan ve çok düşük bir gürültü seviyesiyle optik fiberden geçer.

En son çalışmaları, Şubat 2023’te Science Advances’da yayınlanan, lazer tabanlı sistemlerin, elektronları hareket ettirmek için voltaja değil fotonlara bağlı olan optik transistörlerle donatılmış olduğunu ve bilgileri mevcut sistemlerden çok daha hızlı bir şekilde aktarabildiğini gösterdiler ve bu, daha önce bildirilen optik anahtarlardan daha etkili olduğu belirtiliyor.

Ultra hızlı optik transistörler

Yeni Nesil Optik Transistörler
Şekil 1. Dielektrik ile güçlü alan etkileşimine dayanan attosaniye optik anahtarlamanın temel prensibi. Pompa ışık alanı, gerçek zamanlı olarak gelen pompa darbesi dalga formunun şeklini takip ederek dielektrik (erimiş silika) sistemde anlık yansıtma değişikliğine neden olur. Yansıtma değişikliği, pompa ve prob ışınları arasındaki zaman gecikmesinin bir fonksiyonu olarak bir fotodetektör (örneğin fotodiyot) kullanılarak yansıyan prob ışınının değişiminin ölçülmesiyle tespit edilir. Algılanan yansıyan sinyal, τ zamanındaki alan yoğunluğuna bağlı olarak gerçek zamanlı olarak KAPALI/ AÇIK (0 ve 1 ile gösterilir) olarak değiştirilir. Anahtarlama çözünürlüğü, pompa darbesinin yarım döngü alanının (900 as) süresine eşittir ve attosaniye ışık alanı sentezi yaklaşımı kullanılarak pompa alanı dalga formunun uyarlanmasıyla kontrol edilebilir. Atosaniye optik anahtarlama ve kontrol, verilerin ultra hızlı lazer darbesi üzerine kodlanmasına izin verir ve ultra hızlı optik anahtarların kurulması için kapıyı açar. Kaynak: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1015#F2

En temel düzeyde, dijital iletimler, birler ve sıfırları temsil etmek için bir sinyalin açılıp kapanmasını içerir. Elektronik transistörler, bu sinyali göndermek için voltajı kullanır: Voltaj, elektronların sistemin içinden akmasını sağladığında, bir 1’i sinyal verirler; akıştaki hiçbir elektron olmadığında, bu bir 0’ı sinyal verir. Bu, elektronları yaymak için bir kaynak ve onları algılamak için bir alıcı gerektirir.

Ultra hızlı optik veri iletim sistemi, voltaja değil ışığa dayanmaktadır. Araştırma grubu, silikonla ilgili mevcut sınırlamaları aşmak için transistör seviyesinde optik iletişimle çalışan birçok grup arasındadır.

Sistem, bilgiyi iletmek için yansıyan ışığı kontrol eder. Işık bir cam parçasına parladığında, çoğu geçer, ancak birazı yansıyabilir. Bu, güneşe doğru sürerken veya bir pencereden bakarken parlamayı deneyimlediğiniz şeydir.

Aynı cam parçasından geçen iki lazer ışını kullanılıyor. Bir ışın sabittir, ancak camdan geçişi ikinci ışın tarafından kontrol edilir. İkinci ışını, camın özelliklerini şeffaftan yansıtıcıya kaydırarak, sabit ışının iletimini başlatıp durdurabilir, optik sinyali çok hızlı bir şekilde açıp kapatabilir.

Bu yöntemle, cam özelliklerini, mevcut sistemlerin elektron gönderebildiğinden çok daha hızlı bir şekilde değiştirebilir. Bu nedenle, daha az zamanda çok daha fazla açma ve kapama sinyali – sıfırlar ve birler – gönderilebilir.

Ne kadar hızlı?

Yeni Nesil Optik Transistörler
Şekil 2. Atosaniye optik anahtarlama. SiO2’nin yansıtıcılığı, güçlü bir (pompa) ışık alanıyla etkileşim nedeniyle gerçek zamanlı olarak modüle edilir. (A) Pompa ve prob darbeleri arasındaki zaman gecikmesinin bir fonksiyonu olarak yansıtılan prob ışınının ölçülen spektrogramı (üç taramanın ortalaması). (B) Pompa alanı yokken prob spektrumunun ölçülen spektrogramdan çıkarılmasıyla elde edilen spektrogram [(A)’da gösterilmiştir]. Yansıtıcılık, 900-as zaman ölçeğinde alternatif olarak maksimum ile minimum arasında değişir. (C) Güçlü alandaki SiO2’nin normalleştirilmiş toplam yansıtma modülasyonu (TRM), her zaman diliminde prob spektrumunun entegrasyonu ile ölçülen spektrogramdan [(A)’da] elde edilir. (D) Denge durumundaki (pompa alanı yokken) SiO2’den yansıyan prob ışınının spektrumu siyah çizgi olarak gösterilmiştir. Buna karşılık, τ = 0 ve 0,9 fs’de prob ışınının yansıyan spektrum yoğunlukları [(A)’daki spektrogramdan özetlenmiştir] sırasıyla kırmızı ve mavi çizgilerle gösterilmiştir. arb. un., keyfi birimler. Kaynak: https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adf1015#F2
Çalışmanın, verileri tipik elektronikleri kullanarak yapılmasına karşın 1 milyon kez daha hızlı iletmeye ilk adımın atıldığını belirtiyorlar. Elektronlarla, veri iletimi için maksimum hız bir nanosaniye, bir milyardan bir saniye, ki bu çok hızlıdır. Ancak tasarlanan optik anahtar, verileri bir milyon kez daha hızlı iletebildiği ve bunun sadece birkaç yüz attosaniye (1 attosaniye = 1^-18) sürdüğü belirtiliyor.

Ayrıca bu sinyalleri, bir siber saldırganın mesajları ele geçirmeye veya değiştirmeye çalışması durumunda başarısız olacağı veya saldırının tespit edileceği şekilde güvenli bir şekilde iletebildikleri belirtiliyor.

Bir lazer ışınını bir sinyal taşımak için kullanmak ve sinyal yoğunluğunu başka bir lazer ışını tarafından kontrol edilen camla ayarlamak, bilginin sadece daha hızlı değil, aynı zamanda çok daha büyük mesafelerde seyahat edebilmesi anlamına gelir.

Örneğin, James Webb Uzay Teleskobu yakın zamanda uzayın derinliklerinden çarpıcı görüntüler iletti. Bu resimler, teleskoptan Dünya’daki üs istasyonuna veri olarak bir “açık” veya “kapalı” hızında her 35 nanosaniyede bir optik iletişim kullanılarak aktarıldı.

Geliştirilen bir lazer sistemi, aktarım hızını milyar kat hızlandırabilir, derin uzayın daha hızlı ve daha net bir şekilde keşfedilmesine olanak sağlar, evrenin sırlarını daha hızlı bir şekilde ortaya çıkarır. Ve belki bir gün bilgisayarlar kendileri ışık üzerinde çalışabilir.

Kaynak:

İlk yorum yapan olun

Bir yanıt bırakın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak.


*