O echipă de fizicieni ruși a arătat cum se poate evita supraîncălzirea unei componente cheie din computerele care funcţionează pe bază de lumină, ceea ce înseamnă că este posibil ca unul dintre cele mai mari obstacole din calea prelucrării datelor cu viteza luminii să fi fost depășit.

Computerul opticComputerul optic. Credit: A Luna Blue/Shutterstock.com

Înlocuirea electronilor cu particule de lumină (fotoni) în microprocesoare ar avea ca rezultat o creştere a vitezei de lucru a computerelor de zeci de mii de ori şi, de asemenea, s-ar rezolva o problemă foarte importantă care ne afectează pe toţi: s-a atins viteza maximă cu care electronii se pot deplasa între procesor și memorie.

Cunoscută sub numele de strangulare von Neumann (în limba engleză von-Neumann bottleneck), această problemă înseamnă că nu se mai justifică dezvoltarea unor procesoare mai rapide pentru sistemele informatice bazate pe electroni în condiţiile în care s-a atins deja viteza maximă cu care informațiile pot fi transferate la și de la memoria de lucru. Trebuie să regândim complet sistemul de calcul și acum este momentul când trebuie să-şi facă apariţia computerele cuantice (care înlocuiesc biții cu qubiţi) și computerele optice (care înlocuiesc electronii cu fotoni).

Dacă actualele calculatoare ar fi transformate pentru a utiliza lumina în loc de electroni, atunci s-ar obţine o viteză mai mare de transfer a datelor, dar cipurile pe bază de siliciu ar necesita ca fotonii să fie convertiţi înapoi în electroni pentru a fi prelucraţi. Acest lucru înseamnă că sistemul de calcul ar fi încetinit din nou şi, de asemenea, se va consuma o energie suplimentară în timpul procesului de conversie. Un computer de acest tip ar fi chiar mai puțin eficient decât unul care utilizează doar electroni.

În consecinţă, trebuie să reproiectăm computerele pentru ca acestea să utilizeze fotoni. IBM, Intel, HP şi US Defense Force investesc în prezent miliarde de dolari pentru dezvoltarea unor „cipuri optoelectronice”. Aceste cipuri calculează electronic, dar utilizează lumina pentru a transfera informaţiile.

Microcipurile electronice conţin trasee de-a lungul cărora se deplasează electronii. Realizarea unor microcipuri pe bază de fotoni este dificilă, deoarece este greu să facem ca lumina să urmeze o traiectorie curbă. Soluţia acestei probleme o reprezintă componentele plasmonice „care se bazează pe interacțiunile dintre fotoni și electronii de pe suprafața unui metal”, explică Patrick Tucker pentru Defense One.

Cu toate acestea, nu este uşor să se realizeze aceste componente. Lungimea de undă a luminii este de aproximativ 1 micrometru (1.000 nanometri) şi în prezent se pot construi tranzistoare având o mărime de 10 nanometri. Deci, avem două opțiuni: transmitem undele de lumină „aşa cum sunt” și pierdem creșterea de eficiență prin utilizarea unor componente enorme, sau confinăm lumina în unde de suprafață la o scară nanometrică. Acestea sunt cunoscute sub numele de unde de suprafaţă plasmon-polariton (SPP-surface plasmon polaritons).

Componentele plasmonice se supraîncălzesc în procesul de producţie și practic se distrug. „Avem nevoie de un sistem de răcire care să funcționeze la scara dimensională a cipului fotonic, adică la o dimensiune mai mică de o miliardime dintr-un metru”, afirmă Tucker. „Acesta este unul dintre motivele pentru care, timp de decenii, tranzistoarele pe bază de lumină nu au fost considerate o soluţie practică”.

Cu toate acestea, pentru prima dată, cercetătorii de la Institute of Physics and Technology din Moscova au afirmat că găsit o soluție la această problemă. Căldura apare atunci undele SPP sunt absorbite de metal în componente, astfel încât cercetătorii ruşi au introdus ceea ce ei au denumit o „interfață termică de mare performanță” în componente pentru a le proteja de acţiunea metalului.

Aceste interfețe reprezintă straturi de materiale conductoare termic plasate între cip și un sistem de răcire convențional, pentru a se asigura o eliminare eficientă a căldurii cipului, au explicat cercetătorii ruşi în revista ACS Photonics. Aceştia au adăugat că această metodă poate menţine creșterea temperaturii într-un intervalul de 10 grade Celsius.

În continuare cercetătorii trebuie să demonstreze acest lucru în cadrul unui sistem de calcul complet.

Sursă: Sciencealert