نسل جدید ترانزیستورها و افزایش ۱۰۰ برابری سرعت پردازش‌ها در آینده

پژوهشگران موفق به توسعه نوع جدیدی از ترانزیستورها لیزری شده‌اند که می‌تواند بین دو حالت پایدار انرژی یعنی حالت‌های الکترونیک و فوتونیک جابجا شود. این ترانزیستورها می‌توانند در آینده باعث افزایش سرعت جابجایی اطلاعات تا ۱۰۰ برابر دستگاه‌های دیجیتالی امروزی شوند.

نمونه‌ی اولیه این ترانزیستور که آن را ترانزیستور دوحالته می‌نامند، توانایی جابجایی متناوب بین خروجی‌های اپتیکی و الکتریکی را دارد. این توانایی امکان فراهم شدن توسعه سیستم‌های کامپیوتری نوری را مهیا کرده است که در آنها داده‌ها در درون مواد نیمه‌رسانا از طریق فوتون‌ها جابجا می‌شوند . میلتون فِنگ مهندس میکروالکترونیک از دانشگاه ایلی نویز می‌گوید:

ساختن یک ترانزیستور که دارای ویژگی پایداری در دو حالت اپتیکی و الکتریکی باشد و استفاده از آن در چیپ‌های کامپیوتری می‌تواند سرعت پردازش را به‌صورت چشمگیری افزایش دهد. این سرعت ‌بالا به دلیل نبود مشکلات تداخلی است که در ترانزیستورهای الکترونی وجود دارد.

در دستگاه‌های الکترونیکی رایج، میکروچیپ‌ها از میلیاردها کلید کوچک به نام ترانزیستور ساخته‌شده‌اند که همانند یک دروازه، جریان الکترون‌های عبوری از مدار مجتمع را کنترل می‌کنند.

مشکل این مدل‌ها که ده‌ها سال است به‌خوبی در دستگاه‌های الکترونیکی کار می‌کنند، این است که کامپیوترهای مدرن امروزی بسیار سریع‌تر و قدرتمندتر شده‌اند که این امر به‌ناچار باعث افزایش تعداد ترانزیستورها شده است.

بر اساس قانون مور، تعداد ترانزیستورها در مدار مجتمع هرساله ۲ برابر خواهد شد. این قانون از سال ۱۹۶۰ که برای اولین بار توسط گوردون مور، بنیان‌گذار اینتل مطرح‌شده است، تاکنون برقرار بوده است؛ اما مشکلات فنی گسترده، به عنوان عاملی شناخته شده تا برقراری این قانون در سال‌های آینده را با مشکل مواجه کند. درصورتی‌که راه‌حلی جدیدی برای توسعه‌ی ترانزیستورها مطرح نشود، به‌زودی شاهد ثابت ماندن قدرت پردازش پردازنده‌ها خواهیم بود.

ترانزیستورهای امروزی به‌قدری کوچک هستند که دیگر امکان تقسیم‌ آن‌ها با توجه به قانون مور وجود ندارد. همچنین راندمان مصرف انرژی ترانزیستورهای الکترون پایه در صورت برقرار بودن قانون مور در آینده، جای نگرانی و تأمل دارد.

در سوی دیگر دانشمندان در تلاش‌اند که کامپیوترهایی برپایه‌ی نور توسعه دهند. نور سرعت بسیار بالاتری نسبت به الکترون‌ها دارد و می‌تواند مسافت بیشتری را در مدار مجتمع طی کند. این امر موجب شده است که تمایل به سمت توسعه پردازنده‌های فوتونیکی نسبت به پردازنده‌های الکترونیکی بیشتر و بیشتر شود.

میلتون فِنگ و همکارش، در سال ۲۰۰۴ برای اولین بار ایده‌ی ترانزیستورهای لیزری را مطرح کردند؛ قطعات نیمه‌رسانایی که خروجی دوگانه الکتریکی و اپتیکی دارد. او در سال ۲۰۱۶ بیان می‌کند که:

در حال حاضر سریع‌ترین راه برای تغییر در مواد نیمه‌رسانا از طریق پرش الکترون‌ها در میان باندهای مختلف در ماده و طی فرآیندی که آن را تونل ساختن می‌گویند، امکان‌پذیر است.فوتون‌ها طی فرآیندی که نام آن حمایت فوتونی درون حفره‌ای در فرایند تونل‌سازی است، به الکترون‌ها در جابجایی کمک می‌کنند که این عمل باعث افزایش سرعت دستگاه‌ها می‌شود.

در آخرین تحقیقات انجام‌شده، این گروه به تشریح عملکرد ترانزیستورهای لیزری می‌پردازند که می‌توانند با دو سیگنال خروجی فعالیت کنند. این ترانزیستورها برای توسعه‌ی رایانش اپتیکی بسیار حیاتی هستند. باوجود ویژگی‌های مطرح‌شده، محققان بیان می‌کنند که الکترون‌ها همچنان در آینده‌ی طراحی چیپ‌ها نقش مهمی دارند.

حذف کردن الکترون‌ها به‌صورت کامل امکان‌پذیر نیست. این مشکلی است که در تمام ایده‌های مطرح‌شده در مورد کامپیوترهای اپتیکی وجود دارد؛ زیرا همه‌ی سیستم‌های کامپیوتر به‌صورت اپتیکی ساخته نشده‌اند و شما نیاز به اتصال به یک واحد پردازشی و سپس تبدیل آن به نور دارید.

در مطالعات جدید، محققان جزییات چگونگی رسیدن به این ترانزیستور دوحالته و شرایط کاری آن در دمای منفی ۵۰ درجه سانتی‌گراد را بیان کرده‌اند.

همچنین آن‌ها ادعا می‌کنند که دستگاهی را ساخته‌اند که می‌تواند در دمای محیط کار کند. این دستاورد بسیار مهمی جهت استفاده از این ترانزیستورها در دستگاه‌های واقعی است. محققان جزییات نتایج این مطالعات را در مقالات آینده به اشتراک خواهند گذاشت.

اینکه چه زمانی این فناوری درگوشی‌های هوشمند و نوت‌بوک‌ها استفاده خواهد شد، واضح نیست؛ اما مطمئنا استفاده از میلیاردها ترانزیستور لیزری در میکرو چیپ‌ها، امکان هر نوع پردازشی را در آینده فراهم خواهد کرد.

نتایج این یافته‌ها در مجله Applied Physics گزارش‌ شده است.