Under de senaste fyra decennierna, elektronikindustrin har drivits av vad som kallas "Moores lag, " som inte är en lag utan mer ett axiom eller observation. det tyder på att de elektroniska enheterna fördubblas i hastighet och kapacitet ungefär vartannat år. Och verkligen, varje år kommer teknikföretag med nya, snabbare, smartare och bättre prylar.

Specifikt, Moores lag, som formulerats av Intels medgrundare Gordon Moore, är att "Antalet transistorer som ingår i ett chip kommer ungefär att fördubblas var 24:e månad." Transistorer, små elektriska strömbrytare, är den grundläggande enheten som driver alla elektroniska prylar vi kan tänka oss. När de blir mindre, de blir också snabbare och förbrukar mindre el för att fungera.

I teknikvärlden, en av 2000-talets största frågor är:Hur små kan vi göra transistorer? Om det finns en gräns för hur små de kan bli, vi kan komma till en punkt där vi inte längre kan fortsätta att göra mindre, kraftfullare, mer effektiva enheter. Det är en bransch med mer än 200 miljarder USD i årliga intäkter bara i USA. Kan det sluta växa?

Närmar sig gränsen

För tillfället, företag som Intel masstillverkar transistorer med en diameter på 14 nanometer – bara 14 gånger bredare än DNA-molekyler. De är gjorda av kisel, det näst vanligaste materialet på vår planet. Silikonets atomstorlek är cirka 0,2 nanometer.

Dagens transistorer är cirka 70 kiselatomer breda, så möjligheten att göra dem ännu mindre krymper i sig. Vi närmar oss gränsen för hur liten vi kan göra en transistor.

För närvarande, transistorer använder elektriska signaler – elektroner som rör sig från en plats till en annan – för att kommunicera. Men om vi kunde använda ljus, består av fotoner, istället för el, vi skulle kunna göra transistorer ännu snabbare. Mitt arbete, på att hitta sätt att integrera ljusbaserad bearbetning med befintliga chips, är en del av den begynnande ansträngningen.

Att sätta ljus inuti ett chip

En transistor har tre delar; se dem som delar av en digitalkamera. Först, information kommer in i linsen, analogt med en transistors källa. Sedan går den genom en kanal från bildsensorn till kablarna inuti kameran. Och till sist, informationen lagras på kamerans minneskort, som kallas en transistors "drain" – där informationen i slutändan hamnar.

Just nu, allt detta sker genom att elektroner flyttas runt. För att ersätta ljus som medium, vi behöver faktiskt flytta fotoner istället. Subatomära partiklar som elektroner och fotoner färdas i en vågrörelse, vibrerar upp och ner även när de rör sig i en riktning. Längden på varje våg beror på vad den färdas genom.

I kisel, den mest effektiva våglängden för fotoner är 1,3 mikrometer. Det här är väldigt litet – ett människohår är cirka 100 mikrometer i diameter. Men elektroner i kisel är ännu mindre – med våglängder 50 till 1, 000 gånger kortare än fotoner.

Detta innebär att utrustningen för att hantera fotoner måste vara större än de elektronhanteringsanordningar vi har idag. Så det kan tyckas som om det skulle tvinga oss att bygga större transistorer, snarare än mindre.

Dock, av två skäl, vi kunde behålla chips i samma storlek och leverera mer processorkraft, krympa chips samtidigt som du ger samma kraft, eller, potentiellt båda. Först, ett fotoniskt chip behöver bara ett fåtal ljuskällor, genererar fotoner som sedan kan riktas runt chippet med mycket små linser och speglar.

Och för det andra, ljus är mycket snabbare än elektroner. I genomsnitt kan fotoner färdas omkring 20 gånger snabbare än elektroner i ett chip. Det betyder datorer som är 20 gånger snabbare, en hastighetsökning som skulle ta cirka 15 år att uppnå med nuvarande teknik.

Forskare har visat framsteg mot fotoniska chips under de senaste åren. En viktig utmaning är att se till att de nya ljusbaserade chipsen kan fungera med alla befintliga elektroniska chips. Om vi ​​kan ta reda på hur man gör det – eller till och med att använda ljusbaserade transistorer för att förbättra elektroniska – kan vi se betydande prestandaförbättringar.

När kan jag få en ljusbaserad bärbar dator eller smartphone?

Vi har fortfarande en bit kvar innan den första konsumentenheten når marknaden, och framsteg tar tid. Den första transistorn tillverkades 1907 med vakuumrör, som vanligtvis var mellan en och sex tum långa (i genomsnitt 100 mm). År 1947, den nuvarande typen av transistor – den som nu bara är 14 nanometer i diameter – uppfanns och den var 40 mikrometer lång (cirka 3, 000 gånger längre än den nuvarande). Och 1971 var den första kommersiella mikroprocessorn (kraftverket för alla elektroniska prylar) 1, 000 gånger större än dagens när den släpptes.

De enorma forskningsinsatserna och den därav följande utvecklingen inom elektronikindustrin börjar först i fotonikindustrin. Som ett resultat, nuvarande elektronik kan utföra uppgifter som är mycket mer komplexa än de bästa nuvarande fotoniska enheterna. Men allt eftersom forskningen fortskrider, ljusets förmåga kommer ikapp, och slutligen överträffa, elektronikens hastigheter. Hur lång tid det än tar att komma dit, framtiden för fotonik är ljus.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.