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微型低能耗设备,可快速重新路由计算机芯片中的光

2019-12-11 17:26:47    来源:    我来说两句()
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 美国国家标准技术研究院(NIST)的研究人员及其同事开发了一种光开关,该光开关可以将光从一个计算机芯片传输到另一个计算机芯片,速度仅为20亿分之一秒,比其他同类设备要快。紧凑型开关是第一个在足够低的电压下工作以集成到低成本硅芯片上并以非常低的信号损耗重新定向光的开关。

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该交换机创纪录的性能是构建使用光而不是电来处理信息的计算机的重要新一步。依靠光子-光子-在计算机内传输数据比电子通信具有多个优势。光子的传播比电子快,并且不会通过加热计算机组件而浪费能量。管理废热是提高计算机性能的主要障碍。数十年来,光信号已使用光纤通过远距离传输信息,但是光纤占用的空间太大,无法用于在计算机芯片上传输数据。

新的开关结合了纳米级的金和硅光学,电气和机械组件,所有组件都密集地包装在一起,以将光引导进出微型跑道,并改变其速度并改变其行进方向。(1纳米等于一米的十亿分之一,即一头人类头发的宽度的十分之一。)NIST领导的国际团队今天在《科学》杂志上在线描述了该设备

NIST,苏黎世联邦理工学院和马里兰大学的研究合著者克里斯蒂安·哈夫纳指出,该设备具有多种应用。在无人驾驶汽车中,该开关可以快速重定向单个光束,该光束必须连续扫描道路的所有部分以测量与其他汽车和行人的距离。该设备还可以使神经网络中使用更强大的基于光的电路代替基于电的电路更加容易。这些是人工智能系统,可以模拟人脑中的神经元如何做出有关模式识别和风险管理等复杂任务的决策。

新技术还使用很少的能量来重定向光信号。此功能可能有助于实现量子计算的梦想。量子计算机处理存储在专门准备的亚原子对之间的微妙关系中的数据。但是,这些关系非常脆弱,要求计算机在超低温和低功率下运行,以使对的粒子对产生的干扰尽可能少。由于新的光开关所需的能量很小-与以前的光开关不同-它可能成为量子计算机不可或缺的一部分。

Haffner和他的同事(包括NIST的Vladimir Aksyuk和Henri Lezec)说,他们的发现可能令科学界的许多人感到意外,因为结果与长期以来的信念背道而驰。一些研究人员认为光电开关不切实际,因为它们体积大,操作速度太慢并且要求电压过高,计算机芯片的组件无法承受。

开关利用了光的波特性。当两个相同的光波相遇时,它们可以重叠,以使一个波的波峰对齐或增强另一个波的波峰,从而形成称为相长干涉的明亮图案。两波也可能完全不同步,因此一个波谷会抵消另一个波的波峰,从而产生暗模式-破坏性干扰。

在团队的设置中,光束被限制在微型高速公路内传播,微型高速公路是一个称为波导的管状通道。该线性高速公路的设计使其具有匝道-一些光可以进入跑道形状的腔体中,该腔体距离纳米只有几纳米,被蚀刻到硅片中。如果光的波长恰到好处,它在离开硅腔之前会在赛道周围多次鞭打。

开关还有另一个关键的组成部分:一层金膜,悬在硅盘上方几十纳米处。在硅跑道上传播的某些光会泄漏出去并撞击膜,从而在膜表面引发电子群的振荡。这些振荡被称为等离激元,是光波和电子波之间的一种混合:振荡的电子类似于入射的光波,因为它们以相同的频率振动,但波长却短得多。较短的波长使研究人员可以在将振荡转换回光之前,在纳米级距离上操纵等离激元,该距离远小于原始光波的长度。反过来,这使得光开关保持极其紧凑。

通过将硅片和金膜之间的间隙宽度仅改变几纳米,研究人员可以延迟或推进混合光波的相位,即光波到达波峰或波谷的时间点。研究小组通过静电弯曲金膜实现了间隙宽度的微小变化,从而极大地改变了相位。

根据团队推进或延迟波的相位的多少,当波与仍然在管状高速公路中传播的光重新组合时,两束光会产生相长干涉或相消干涉(请参见动画)。如果光束匹配以产生相长干涉,则光将沿其原始方向继续前进,并沿灯管向下传播。但是,如果光束产生相消干涉,彼此抵消,则该路径将被阻塞。取而代之的是,光必须沿另一个方向移动,该方向取决于放置在受阻路径附近的其他波导或路径的方向。这样,可以随意将光切换到数百个其他计算机芯片中的任何一个。

科学家曾经认为,等离子系统会大大衰减光信号,因为光子会穿透金膜的内部,而电子将吸收大量的光能。

但是研究人员现在证明了这一假设是错误的。该设备的紧凑性和确保几乎没有光子穿透膜的设计所导致的光信号损失仅为2.5%,而之前的开关仅为60%。尽管仍是原型,但这使该开关可用于商业应用。

该团队现在正在通过缩短硅片和金膜之间的距离来使设备更小。这将进一步减少信号损失,使该技术对行业更具吸引力。


 
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