[ad_1]
(Noticias de Nanowerk) Una nueva versión de Ciencias optoelectrónicas considera puertas lógicas ópticas en computadoras futuras («Computación de puertas lógicas totalmente ópticas para procesamiento de información paralelo de alta velocidad»).
Si está leyendo esto en su teléfono inteligente, su CPU (Unidad Central de Procesamiento) está funcionando a toda velocidad. Es un pequeño chip que contiene miles de millones de unidades más básicas llamadas puertas lógicas. En el mundo de la computación electrónica, las puertas lógicas se implementan en forma de transistores, cuya invención llevó a varios premios Nobel de Física en 1956.
Sin embargo, varios tipos de computación electrónica, incluidos los teléfonos inteligentes, las computadoras portátiles y los enormes sistemas de servidores, enfrentan grandes desafíos y cuellos de botella. Por ejemplo, la conocida curva de la ley de Moore se vuelve cada vez más plana. La tarea «El número de transistores que un circuito integrado puede contener se duplica aproximadamente cada 18 meses» se está volviendo cada vez más difícil de lograr.
La arquitectura clásica de von Neumann, en la que se debe transferir una gran cantidad de datos entre la CPU y la memoria, está cada vez más expuesta. El alto consumo de energía de innumerables dispositivos informáticos en todo el mundo también es una preocupación crítica.
Además de las computadoras electrónicas, los científicos han estado buscando nuevos esquemas informáticos alternativos. Las computadoras cuánticas, las computadoras de ADN biológico, las computadoras moleculares y otras ideas se prueban constantemente. Entre ellos, la computación óptica es definitivamente una opción viable, reemplazando los dispositivos electrónicos por dispositivos fotónicos y las señales eléctricas por señales ópticas.
El campo de luz tiene amplitud, fase, tiempo, espacio, frecuencia, polarización y otras dimensiones que pueden usarse para representar información, mientras que la reflexión, refracción, interferencia, difracción y otros efectos ópticos pueden usarse para procesar información. Parece obvio contar con la luz.
En la novela del famoso autor de ciencia ficción El problema de los tres cuerpos, en un planeta en un sistema de tres cuerpos, Cixin Liu, el emperador, construye una «computadora humana» con miles de soldados, cada uno negro o negro ondeando una bandera blanca. para indicar una señal binaria utilizada como puerta lógica. Indica que las puertas lógicas no necesariamente tienen que implementarse electrónicamente. Entonces, ¿cómo podemos construir diferentes tipos de puertas lógicas con óptica?
La codificación espacial de matrices ópticas se propuso a principios de los años 70 y 80 como la forma más sencilla de implementar puertas lógicas ópticas. Su principio de funcionamiento es sencillo y también se puede llevar a cabo en el laboratorio sin condiciones especiales de prueba óptica. Se puede realizar utilizando pequeñas piezas de película delgada transparente ordinaria o tarjetas de papel perforadas.
Más tarde, muchos investigadores centraron su atención en un dispositivo óptico llamado amplificador óptico de semiconductores (SOA), que hasta cierto punto se parece a una versión óptica del transistor electrónico, pero aún tiene muchas diferencias. SOA permite una variedad de efectos no lineales entre las señales de luz de entrada y salida de diferentes frecuencias, que se pueden usar para construir relaciones matemáticas de puertas lógicas.
Además, SOA también tiene el efecto de la mezcla de cuatro ondas. Mediante los ajustes apropiados, dos señales de luz de diferentes frecuencias se pueden utilizar como entrada para producir una tercera frecuencia de luz como salida, y la fase de la señal de salida es la suma de las fases de las dos señales de entrada.
SOA también puede implementar otros tipos de puertas lógicas con un diseño adecuado. La fibra altamente no lineal (HNLF) es otro tipo de dispositivo óptico que tiene muchas propiedades similares a SOA y también se puede utilizar en la realización de puertas lógicas ópticas.
En estudios más recientes de este siglo, con el desarrollo de la fotónica integrada y la tecnología de fabricación micro-nano, las guías de ondas y otros dispositivos ópticos pueden implementarse en chips ópticos y estructuras de cristal fotónico a escala micrométrica o incluso nanométrica, y «versiones en miniatura» de lógica óptica. emergen las puertas.
A pesar del pequeño tamaño, los principios ópticos básicos funcionan, incluida la interferencia de dos ondas de luz. En la guía de ondas, es más fácil ajustar la fase siempre que se pueda cambiar la longitud de propagación de la luz. La intensidad de la luz después de la interferencia de estas dos ondas de luz se puede utilizar como salida de la puerta lógica. Dependiendo de la diferencia de amplitud y fase de la señal de entrada, la intensidad de la luz después de la interferencia constructiva o destructiva puede corresponder al valor de salida de la puerta lógica de destino (cerca de 0 o 1).
La combinación de guía de ondas de línea y guía de ondas de microanillo es otra forma común. Vale la pena señalar que en este diseño podemos combinar guías de ondas de línea y microanillos en un sistema donde las ondas de luz se pueden transmitir a través de múltiples resonancias de acoplamiento como múltiples engranajes mecánicos para lograr un tipo específico de operación de puerta lógica. Además, los plasmones de superficie, los nanocables, el niobato de litio polarizado periódicamente (PPLN) y otras tecnologías también se utilizan ampliamente en puertas lógicas micro/nanoópticas.
Si bien todos los caminos conducen a Roma, es bastante difícil diseñar una puerta lógica óptica adecuada para aplicaciones prácticas, y obtener la salida que satisfaga las reglas de la puerta lógica solo merece una calificación de aprobado.
El profesor David Miller de la Universidad de Stanford ha señalado que las puertas lógicas ópticas deben cumplir simultáneamente con seis criterios necesarios, incluida la capacidad en cascada entre la siguiente entrada de la puerta lógica y la salida de la puerta lógica anterior, el fanout de salida de la puerta lógica, la recuperación de pérdida de potencia de la señal, etc.
Sin embargo, después de cumplir con estos seis criterios, las puertas lógicas ópticas solo pueden calificarse con el grado «Bueno». Para lograr realmente una puntuación «excelente», las puertas lógicas ópticas deben superar a las puertas lógicas electrónicas al tener ventajas obvias, como una velocidad de cálculo más rápida y un menor consumo de energía. Para ser una buena puerta lógica A+, hay muchos desafíos. La mayoría de las puertas lógicas ópticas existentes no pueden cumplir con todos los requisitos.
En la investigación de la técnica anterior, normalmente se estudia una sola puerta lógica o circuitos lógicos simples que consisten en unas pocas puertas lógicas. El desarrollo de verdaderas computadoras digitales ópticas con una gran cantidad de puertas lógicas ópticas aún se encuentra en las primeras etapas de investigación. Por supuesto, los fotones y los electrones son intrínsecamente diferentes, y también está abierto el debate sobre si el marco informático de abajo hacia arriba en el mundo electrónico, construido a partir de las unidades básicas de puertas lógicas individuales, sigue siendo aplicable en el mundo fotónico.
La investigación de puertas lógicas ópticas todavía tiene mucho espacio para más investigación y desarrollo en el futuro.
[ad_2]