Последние десятилетия светоизлучающий кремний был чем-то вроде “Священного Грааля” для индустрии микроэлектроники. До сих пор создать его не удавалось, хотя мечтали об этом очень многие. Наконец ученым из Технического университета Эйндховена (Нидерланды) удалось добиться результата в работе, которая длилась последние 50 лет. Довольно скоро это открытие изменит мир.
Зачем это нужно?
Затем, что стандартная технология изготовления кремниевых чипов уже уперлась в предел своих возможностей. Чипы, которые используются в современной вычислительной технике, уже практически невозможно сделать меньше.
Самые современные процессоры, доступные сейчас на рынке, основаны на 7-нм техпроцессе. То есть, размер транзистора на чипе составляет 7 нанометров. Чипы, основанные на 6-нм, 5-нм и 3-нм техпроцессах пока существуют лишь в формате тестовых образцов. Дальше уменьшать размеры нереально, поскольку в силу вступают законы физики. При прохождении электронов по микроскопическим медным линиям возникает сопротивление. А при возникновении сопротивления выделяется тепло. И этого тепла достаточно, чтобы повреждать маленький и слишком плотно упакованный микрочип.
В общем, если проблему не решить, мы попросту надолго “застрянем” в развитии, лишившись возможности эффективно наращивать вычислительную мощность.
Решение проблемы
Решить проблему с сопротивлением можно, если отказаться от электронов. В отличие от них, фотоны не имеют массы, а потому не испытывают сопротивления и не выделяют тепло. Фотоны движутся со скоростью света, а значит, в теории, скорость операций внутри фотонного чипа будет в 1000 раз выше скорости операций в обычном процессоре.
В теории, фотонный процессор можно собрать, полностью отказавшись от кремния. Полупроводники, вроде арсенида галлия и фосфида индия, способны излучать свет. Но они дорого стоят и их практически невозможно интегрировать в существующую архитектуру. В общем, кремний - безальтернативный вариант по сугубо техническим соображениям.
Чтобы создать кремниевый лазер, который можно было бы интегрировать в микрочип, нужно заставить кремний светиться. И именно этим последние 50 лет занимаются инженеры университета Эйндховена. Вернее, занимались. Потому что решение найдено и работает.
Ученые соединили кремний с германием в гексагональную структуру, которая оказалась способна излучать свет:
Впервые гексагональный кремниево-германиевый сплав был создан еще в 2015 году, но поначалу был бесполезен. Лишь спустя пять лет ученым удалось снизить количество примесей и дефектов в материале. Теперь он может светиться! И это - настоящий прорыв.
Что это значит на практике?
На практике это означает, что в будущем смартфоны и домашние ПК сравнятся по мощности с суперкомпьютерами образца 2020 года. И для этого точно не придется ждать еще 50 лет.
Прямо сейчас команда занимается разработкой микроскопического кремниевого лазера для интеграции в микросхемы. По предварительным оценкам, на разработку микролазера потребуется несколько месяцев, так что его точно обещают к концу этого года. Как только лазер будет создан, начнется разработка экспериментальных фотонных чипов. И, вероятно, пройдет еще несколько лет, прежде чем они доберутся до пользователя.
Но все это - дело техники. Важно, что устранено фундаментальное препятствие, мешавшее переходу на фотонную технологию. Отныне главная задача - сделать эту технологию практичной.
Подробнее о светоизлучающем кремнии можно прочитать в свежей статье в журнале Nature.
Если хотите получать новости через мессенджер, подписывайтесь на новый Telegram-канал iGate
