Квантовые точки повысят производительность компьютеров

Тысячи километров волоконно-оптических кабелей пересекают земной шар, передавая огромные массивы данных, от финансовых показателей до видео с котиками. Однако когда сигнал поступает в локальный центр обработки данных, он сталкивается с  узким местом. Это происходит потому, что вместо света компьютеры работают на электронах, движущихся по кремниевым чипам, которые менее эффективны, чем фотонные устройства.

В попытке «расширить» это узкое место, исследователи пытаются интегрировать фотонику в кремниевые устройства. Они разрабатывают лазеры — важнейший компонент фотонных схем — которые без проблем работают на кремнии. Команда ученых Калифорнийского университета в Санта-Барбаре утверждают, что будущее кремниевых лазеров может находиться в крошечных атомных структурах — квантовых точках.

Такие лазеры могли бы сэкономить много энергии, в результате чего аренда выделенного сервера будет намного дешевле. Замена электронных компонентов, которые соединяют устройства с фотонными, поможет сократить потребление энергии на 20-75 процентов, поясняет Джастин Норман. «Это существенное сокращение глобального потребления энергии, просто благодаря интеграции лазеров и фотонных схем с кремнием».

Однако кремний не обладает подходящими свойствами для лазеров. Вместо этого инженеры обратились к классу материалов из групп III и V периодической таблицы, поскольку эти материалы могут быть интегрированы с кремнием. Сначала технологи пытались найти метод функциональной интеграции, но в конечном итоге пришли к использованию квантовых точек, потому что их можно выращивать непосредственно на кремнии. Квантовые точки — это полупроводниковые частицы шириной в несколько нанометров. Они достаточно малы, чтобы вести себя как отдельные атомы. При возбуждении электрическим током электроны и положительно заряженные дыры замыкаются в точках и рекомбинируют, испуская свет — свойство, которое можно использовать для создания лазеров.

Исследователи создали лазеры с квантовыми точками с использованием технологии молекулярно-лучевой эпитаксии. Они осаждают материал  на кремниевую подложку, и ее атомы самоорганизуются в кристаллическую структуру. Но кристаллическая структура кремния отличается от материалов групп III-V, что приводит к дефектам, которые ухудшают производительность. Но поскольку квантовые точки накапливаются вместе при больших плотностях — более 50 миллиардов точек на квадратный сантиметр — они захватывают электроны и дырки перед тем, как частицы теряются.

Норман говорит, что у этих лазеров много других преимуществ. Например, квантовые точки более стабильны в фотонных схемах, поскольку они локализуют атомные энергетические состояния. Они также могут работать на меньшей мощности, потому что  не нуждаются в таком количестве электрического тока. Кроме того, они могут работать при более высоких температурах и их можно уменьшить.

По словам Нормана, исследователи добились значительного прогресса. Теперь лазеры работают при 35 градусах Цельсия без сильной деградации, а срок службы может составлять до 10 миллионов часов. В настоящее время они тестируют лазеры, которые могут работать при температурах  от 60 до 80 градусов Цельсия, более типичный  диапазон центра обработки данных или суперкомпьютера.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *