În ultimele patru decenii dezvoltarea cipurilor electronice a respectat Legea lui Moore, care nu este o lege ci mai mult o axiomă sau o observaţie. Practic, aceasta sugerează că cipurile electronice îşi dublează viteza de lucru și performanţele în general o dată la doi ani. Și într-adevăr, în fiecare an companiile produc noi gadgeturi tot mai rapide, mai „inteligente” și mai bune.

Mai exact, Legea lui Moore, așa cum a fost formulată de Gordon Moore, cofondatorul firmei Intel, afirmă că „numărul tranzistoarelor dintr-un cip se va dubla, cu aproximaţie, la fiecare 24 de luni”.

Tranzistoarele sunt componentele fundamentale ale tuturor gadgeturile electronice actuale. Odată cu miniaturizarea, viteza de lucru a tranzistoarelor s-a mărit, iar consumul lor de energie electrică a scăzut.

Există însă o limită privind miniaturizarea tranzistoarelor şi acest lucru înseamnă că vom ajunge într-un moment în care nu vom mai putea produce dispozitive electronice tot mai mici, mai performante şi mai eficiente.

Industria electronică generează în prezent venituri anuale mai mari de 200 de miliarde de dolari numai în SUA.

Ne apropiem de limita miniaturizării tranzistoarelor

În prezent, companii precum Intel produc tranzistoare care măsoară doar 14 nanometri, adică sunt de doar 14 ori mai mari decât moleculele de ADN. Aceste componente electronice sunt realizate din siliciu, al doilea cel mai abundent element chimic de pe planeta noastră.

Diametrul atomului de siliciu este de aproximativ 0,2 nanometri şi acesta reprezintă limita fizică privind miniaturizarea tranzistoarelor, deoarece sub această mărime funcţionarea tranzistoarelor devine instabilă şi greu de controlat.

Mărimea tranzistoarelor actuale, fabricate în tehnologia de 14 nanometri, este de 70 de ori mai mare decât diametrul atomului de siliciu, ceea ce înseamnă că ne apropiem foarte mult de limita miniaturizării tranzistoarelor.

Funcţionarea tranzistoarelor actuale se bazează pe semnale electrice, adică electroni care se deplasează dintr-un loc în altul. Dacă însă înlocuim semnalele electrice cu lumină, care este formată din fotoni, atunci  tranzistoarele vor putea funcţiona mult mai repede.

Cipul optic

În siliciu, lungimea de undă a fotonului este de doar 1,3 micrometri. Pentru comparaţie, diametrul unui fir de păr uman este de aproximativ 100 de micrometri. În schimb, lungimea de undă a electronului în siliciu este chiar mai mică, de 50 până la 1.000 de ori mai mică decât lungimea de undă a fotonului.

Acest lucru înseamnă că pentru a utiliza fotoni în loc de electroni, tranzistoarele trebuie să fie mai mari decât cele din prezent. Cu toate acestea, pentru noile cipuri pe bază de fotoni am putea păstra mărimea actuală a cipurilor electronice, deoarece un cip pe bază de fotoni are nevoie de doar câteva surse de lumină care generează fotoni ce pot fi direcţionaţi în jurul cipului cu ajutorul unor lentile şi oglinzi foarte mici.

Cip pe baza de fotoniCip pe baza de fotoni. Credit: IBM Silicon Photonics

Viteza de deplasare a fotonilor într-un cip este, în medie, de aproximativ 20 de ori mai mare decât a electronilor. Din acest motiv computerele optice pot fi de 20 de ori mai rapide decât computerele electronice actuale, o creștere de viteză care, pe baza tehnologiei actuale, ar putea fi atinsă abia peste aproximativ 15 ani.

În ultimii ani oamenii de știință au înregistrat progrese importante în dezvoltarea cipurilor pe bază de fotoni, iar eforturile acestora se concentrează pe găsirea unor modalităţi prin care noile cipuri bazate pe lumină să poată funcţiona împreună cu cipurile electronice actuale.

Dacă cercetătorii vor reuşi să facă acest lucru sau, eventual, să utilizeze tranzistoare pe bază de lumină pentru a îmbunătăți funcţionarea tranzistoarelor pe bază de electroni, atunci s-ar putea îmbunătăți semnificativ performanțele calculatoarelor.

Când vor apărea primele calculatoare şi smartphone-uri pe bază de lumină?

Progresul tehnologic necesită timp şi din acest motiv mai avem de aşteptat până când primul calculator sau smartphone pe bază de lumină va ajunge pe piață.

Să ne reamintim că primul tub electronic cu vid a fost realizat în anul 1907 şi că primul tranzistor a fost inventat în anul 1947. Acesta măsura 40 de micrometri, fiind de aproximativ 3.000 de ori mai mare decât tranzistorul actual de 14 nanometri.

Spre deosebire de industria electronică, cercetările şi progresele tehnologice din industria cipurilor pe bază de fotoni sunt abia la început. Prin urmare, cipurile electronice actuale pot efectua sarcini mult mai complexe decât cele mai bune cipuri pe bază de fotoni pe care le avem în prezent.

Cu toate acestea, poate că în viitor performanţele cipurilor optice vor egala şi chiar depăşi performanţele cipurilor electronice. Indiferent de cât timp va mai trece până se va atinge acest obiectiv, putem afirma de acum că cipurile pe bază de fotoni au potenţialul să revoluţioneze tehnologia informaţiei.

Sursă: Science Alert