Důležitý milník pro tvorbu světelných čipů překonán

Karel Javůrek  |  Věda

Současná generace počítačových čipů pracuje s elektrickou energií, v budoucnu se ale z důvodu větších rychlostí pravděpodobně dočkáme fotonových čipů.

Stejně jako jiné technologie v minulosti, i počítače zcela změnily vývoj naší civilizace a odstartovaly mnohem rychlejší objevování nových věcí a dalších technologií ze všech různých oborů, včetně fyziky nebo biologie. Křemíkové čipy, které jsou v této fázi tvořeny miliardami tranzistorů, používají pro logické operace a přenos informace elektrickou energii, tedy elektrony.

Tyto čipy jsou tu však několik desítek let a jak se v poslední době ukazuje, rychlost přenosu informací pomocí elektrické energie má své limity, které nás už začínají omezovat. Při rozšiřování počítačů po celém světě vznikla nutnost jejich spojení. Z důvodu špatné efektivity průchodu elektrické energie vodičem při větších vzdálenostech tak vznikly první optické linky, které pro přenos informací používají fotony.

Internet je technologií, která spojuje všechny počítače a jejich uživatele po celém světě. Obrovské vzdálenosti si vyžádaly co možná nejlepší technologie, takže hlavní linky jsou tvořeny optickými kabely, kterými prochází fotony nesoucí informace a tím spojená data. Optický přenos však již není pouze výsadou páteřních linek mezi kontinenty, ale dostává se i do běžných domácností. Gigabitový internet a optickou linku přímo k domu staví Google, v Anglii už představily linky s rychlostí 1,5 Gb/s, které by měly brzy pokrýt velkou část obyvatelstva a u nás už je v některých městech dostupná optika v řádu 100 Mb/s.

Výhodou optického vlákna je, že lze s novějšími technologiemi poměrně snadno nasadit mnohem vyšší rychlosti. U metalického vlákna to jde samozřejmě také, ale u optiky se jedná o řádově vyšší rychlosti a téměř neomezené hranice.

Taková informace v podobě fotonů však musí být u koncového uživatele předvedena opět na elektrickou energii, kterou používají všechny čipy a obvody počítače. To je do budoucna samozřejmě zbytečné zpomalení a velká ztráta, stejně jako u jakéhokoli jiného převodu.

Další generace počítačů bude využívat světlo

U světelných čipů (či fotonických, optických) a spojenou infrastrukturou dalších částí počítačových systémů ale musí vědci, stejně jako v minulosti, vyřešit řadu problémů, které jsou s přechodem spojeny. Jedním z těch velkých, které trápily vědce a inženýry více než 20 let, je izolace světelných signálů.

Kalifornský institut pro technologie (Caltech) ale zveřejnil řešení tohoto problému, které představil tým zabývající se nanotechnologiemi (Axel Scherer, Liang Feng, Bernard A. Neches). Budoucím cílem je samozřejmě vytvořit integrovaný čip, který by disponoval všemi potřebnými prvky jako ty současné, ale pracoval pouze se světlem. Z tohoto důvodu je nutné vyrobit i obdobu polovodičové diody, která propouští elektrický signál pouze jedním směrem.

V případě světla je to však problém, protože světlo má ve správném směru stejné vlastnosti, jako při zpětném odrazu. Světlo, putující zpátky optickým kanálem, se tak může dostat k jiné části čipu. To pochopitelně vede k destabilizaci správné funkčnosti takového čipu.

Světlo putuje pouze jedním směrem. Zdroj: Caltech
Světlo putuje pouze jedním směrem. Zdroj: Caltech

Optická izolace je sice už dávno pomocí dvou technologií možná, ale bohužel ani jedna z nich není kompatibilní pro budoucí nanometrové čipy a křemíkové technologie, které jsou k výrobě používány. Jedním způsobem, který je na světě už takřka jedno století, je využití magnetického pole pro změnu polarizace světla. V případě opačného směru světla tak nedochází k interferenci s původním světlem. Magnetické pole ve velkém rozsahu a v mnoha kombinacích však není u tak malých čipů žádoucí.

Druhým způsobem, který už pamatuje přibližně 50 let, je využití nelineárních optických materiálů, které mění frekvenci světla. Křemík je však lineární materiál, takže výroba takových čipů by byla ekonomicky neúnosná – nutnost změny všech počítačových technologií, které používáme.

Optický izolátor z lineárního materiálu

Vědcům se ale podařilo vyvinout optický izolátor, který může být integrován přímo do čipu a je základem stavby nanometrových optických čipů. Izolátor s rozměrem 0,8 mikrometru vede světlo pouze jedním směrem; v opačném směru má světlo jiné vlastnosti a neovlivňuje tak původní signál v optických obvodech, které budou tvořit čip.

Optický přenos dat v čipu umožní mnohem vyšší rychlosti v obvodech a tím spojený výkon. Zdroj: Caltech
Optický přenos dat v čipu umožní mnohem vyšší rychlosti v obvodech a tím spojený výkon. Zdroj: Caltech

I když se zatím jedná pouze o experiment, který dokázal funkčnost tohoto optického izolátoru, v budoucnu se určitě dočkáme jeho reálného nasazení v optických čipech. Veškeré naše komunikační technologie jsou totiž závislé na propustnosti, tedy zjednodušeně kolik informací lze přenést za určitou dobu.

Komunikace a informace

Jak už jsme si popisovali v některých z minulých článků, přenos informace je základ všech organismů na této planetě a jeho rychlost ve všech oblastech našeho vývoje i v moderním směru stále stoupá.

Vzrůstající kvalita, množství informací i samotných zařízení a s tím spojený objem dat potřebuje stále rychlejší přenosové cesty. Pokud se podíváme do oblasti počítačů a vnitřní sběrnice, která se stará o spojení mezi jednotlivými částmi jako je procesor nebo grafická karta a podobně, nabízí propustnost kolem desítek gigabajtů za sekundu. Nové rozhraní Thunderbolt, které je určeno pro externí zařízení, nabízí ve své metalické podobě propustnost kolem 1 GB/s, přičemž u optické verze se počítá minimálně s desetinásobkem.

Tyto rychlosti ale za deset let nebudou stačit, bude nutné se posunout do propustnosti v řádu terabajtů za sekundu a optický přenos a s tím spojené i celé optické logické obvody jsou možností, jak toho dosáhnout a vytvořit tak kompletní infrastrukturu založenou na světle, která umožní přenos informací v mnohem větších řádech.

Nejčtenější