MIT'ers bouwen optische transistor

Onderzoekers van het Massachusetts Institute of Technology hebben een optische schakelaar gebouwd die een lichtbundel kan in- en uitschakelen. Daar zou slechts een enkel foton voor nodig zijn.

Het experimentele apparaat dat door de MIT-medewerkers samen met collega's van de Weense technische universiteit en Harvard werd ontwikkeld, kan een optische transistor genoemd worden. In een elektrische transistor wordt een grote stroom elektronen met een klein stuurstroompje geschakeld: in de 'optische transistor' van het MIT nemen fotonen de rol van elektronen over. Dat zou optische processors mogelijk maken, die sneller en zuiniger zijn dan conventionele processors.

De optische transistor is opgebouwd uit twee spiegels die een optische resonator of trilholte vormen. De spiegels zijn transparant voor licht van specifieke golflengtes. Wanneer de schakelaar aanstaat, kan het licht door de spiegels, maar in uitgeschakelde toestand kan slechts twintig procent van het licht door de spiegels. Voor dat schakelen wordt een enkel foton gebruikt, dat een gasatoom in de trilholte aanslaat: dat beïnvloedt de golflengte van het licht en kan minder licht door de spiegels en de 'optische transistor' staat dan uit.

De optische transistor is vooralsnog een prototype: de experimentele opstelling leent zich niet voor praktische toepassingen. Dat zou veranderen als de eigenschappen worden nagebouwd in meer conventionele halfgeleidermaterialen: nu moet het gas in de trilholte nog supergekoeld worden. Eenmaal verkleind tot praktische afmetingen zou de optische transistor vooral interessant zijn voor quantumcomputers.

Reacties (34)

[jopiek]

Heel goed nieuws, ook voor schakelstations voor glasvezel e.d. want nu zitten we altijd nog met de beperkingen van halfgeleiders. Optische transistor kan theoretisch de lichtsnelheid halen natuurlijk: zie ook http://phys.org/news/2011-05-optical-transistor.html

[Sissors]

Wat bedoel je met een transistor die de lichtsnelheid haalt? De transistor gaat nergens naartoe. En schakelsnelheid heeft niet veel te maken met de snelheid van het medium. Sowieso, voor de snelheid waarmee een elektrisch signaal in een brede on-chip baan gaat kan je uitgaan van ongeveer 2/3e van de lichtsnelheid (dat is dus aangenomen dat weerstand/capaciteit van de baan niet de dominante factor zijn). Licht gaat niet sneller zijn dan dat in silicon. Oftewel als het al relevant was voor de snelheid van een transistor, dan nog werd het niet beter door optisch te gaan.

De kans dat optische transistoren ooit in normale processoren gebruikt zullen worden voor berekeningen is klein. Ze zijn fundamenteel enorm groot, dat zit vast aan hoe ze werken, met resonantie, en de goflengte van licht waarbij silicium doorzichtig is, is nou eenmaal relatief groot, waardoor elke optische transistor minstens een paar 100nm groot is, en dat is heel veel groter dan een elektrische transistor.

Waarbij je het eerder zal zien is om een chip een optische ingang te geven, waarbij er wat optische transistoren zijn voordat het signaal elektrisch wordt gemaakt. Immers voor communicatie over wat grotere afstanden is optisch superieur aan elektrisch. En mogelijk voor quantumcomputers, maar dat is lastig te voorspellen vooralsnog.

Die resonantie die gebruikt wordt is trouwens direct ook het primaire probleem van elke optische transistor die ik tot nu toe heb gezien (nou ja, papers erover). Dit paper kan ik jammer genoeg niet inzien, maar het is eigenlijk altijd het geval dat als je langs de chip loopt hij het niet meer doet. En dan overdrijf ik niet, de resonantiepiek is zo extreem klein dat de minste temperatuurverandering hem al te ver opschuift. Van wat ik begrijp werkt deze transistor wel iets anders dan veel andere (resonantie tussen twee spiegels ipv in een cirkel), dus het zou leuk zijn als hij iets minder gevoelig is hiervoor.

[jopiek]

Ik citeer uit het artikel:

"Because photons travel much faster than electrons, optical transistors should have much faster switching speeds than current transistors."

Dat is dus ook precies wat ik met mijn uitspraak bedoelde.

[Stoney3K]

Ik citeer uit het artikel:

"Because photons travel much faster than electrons, optical transistors should have much faster switching speeds than current transistors."

Dat is dus ook precies wat ik met mijn uitspraak bedoelde.

Dat is een mooie populistische uitspraak om het voor de leek uit te leggen, maar feitelijk is er natuurlijk weinig van waar.

Het signaal dat naar een transistor toe gaat komt niet pas aan als het elektron aan komt wat 'van de andere kant' verstuurd is. Een chip is geen grote knikkerbaan (of mierenhoop) waar elektronen in rond gestuurd worden die de informatie overdragen.

Die informatie-overdracht zit in het elektromagnetisch veld wat je over de geleiders aanlegt, en dat gaat met praktisch de lichtsnelheid over een chip. En de deeltjes die dat elektromagnetisch veld overdragen, zijn nog altijd fotonen.

Als je een voorbeeld wil hebben: De werkelijke elektronen gaan in een koperen kabel (zo'n ding die naar je chip toe loopt) met een stroom van 3 Ampère, met een snelheid van ongeveer 1 meter per uur achteruit.

http://en.wikipedia.org/wiki/Drift_velocity

http://en.wikipedia.org/wiki/Speed_of_electricity

[Reactie gewijzigd door Stoney3K op 29 juli 2024 09:14]

[boner]

supergekoeld doet mij denken aan supergeleidende materialen die ook supersnel en enorm efficient kunnen schakelen. Wellicht off-topic maar hoe staat het daar mee? was al 30 jaar de heilige graal van de halfgeleider tech scene.

[mad_max234]

supergekoeld doet mij denken aan supergeleidende materialen die ook supersnel en enorm efficient kunnen schakelen. Wellicht off-topic maar hoe staat het daar mee? was al 30 jaar de heilige graal van de halfgeleider tech scene.

Supergeleiding is voor gewoon gebruik nu nog een mythe, kan alleen onder extreme omstandigheden, verder nog niks ontdekt of iets wat erop wijst dat het gaat lukken bij kamertemperatuur en ver daarboven, want 18 graden is nog lang niet zat, zal minimaal onder 0 t/m 50 graden werkomstandigheden moeten kunnen werken, liefst -10 t/m 85 graden Celsius of zo, anders zal je maatregelen moeten nemen om omstandigheden goed te houden en dat zal het behoorlijk duur gaan maken voor massagebruik, en verbruik zal het ook niet ten goed komen als we allemaal zware klimaatcontroller in onze pc moeten inbouwen.

[dwilmer]

Ik denk dat het al een doorbraak is om een supergeleider te krijgen die bij normaal haalbare temperaturen kan werken - denk aan -20 graden Celsius. Dat is nog prima te doen op redelijk grote schaal, en aangezien je dan toch geen warmte opwekt heb je ook weinig energie nodig voor koeling.

De laatste keer dat ik iemand over een "high temperature superconductor" hoorde praten, werd die alsnog gekoeld met vloeibare stikstof (in dit filmpje).

[robvanwijk]

Voor een vaste pc zou dat werken (beetje irritant dat (de koeling) eerst een halve dag aan de stroom moet hangen voordat je je computer aan kunt zetten, maar als het niet anders kan, tja, dan zal het moeten), maar nu laptops en tablets steeds populairder worden...? Ik vrees dat een always-on koel-systeem de accu onhandig snel leeg zou trekken.

aangezien je dan toch geen warmte opwekt heb je ook weinig energie nodig voor koeling

Je ziet helaas één dingetje over het hoofd: hoewel er bij de geleiding geen warmte-ontwikkeling optreedt betekent dat niet dat de processor als geheel geen warmte produceert. Twee manieren om ertegenaan te kijken:

• Om te schakelen moet je transistoren op- of ontladen. Tijdens het schakelen treedt (heel eventjes) een kortsluiting op van voeding naar aarde. Beide effecten produceren warmte.
• Of om de details te laten voor wat ze zijn: als er geen warmte-ontwikkeling optreedt, dan verbruik je kennelijk ook geen energie. Dat zou betekenen dat je (koeling niet meegerekend) oneindig lang op één accu kunt doen. Dat klinkt te mooi om waar te zijn, dus dan moeten we wel iets gemist hebben. En andersom: zodra je energie verbruikt zul je ergens warmte produceren.

@Caelestis:
Als je een machine ontwerpt die geen energie gebruikt dan heb je een perpetuum mobile... Nee, ik kan mijn uitspraak niet bewijzen, maar bij mijn beste weten wijst alles in de hedendaagse wetenschap erop dat het wel zo is.

@Mathijs:
Hoe groot of klein de stroom is doet er niet toe, ik heb het niet om de geleiding, maar om de actieve, schakelende elementen.
Overigens, het maakt wel degelijk uit, supergeleiders kunnen slechts een beperkte stroomsterkte geleiden: "Most of the physical properties of superconductors vary from material to material, such as the [..] critical current density at which superconductivity is destroyed." (bron). Hoewel je in een chip aan lage stroomsterktes genoeg hebt, moeten ze door een héél dun draadje; hoe dat uitpakt weet ik niet.

[Reactie gewijzigd door robvanwijk op 29 juli 2024 09:14]

[Stoney3K]

Voor een vaste pc zou dat werken (beetje irritant dat (de koeling) eerst een halve dag aan de stroom moet hangen voordat je je computer aan kunt zetten, maar als het niet anders kan, tja, dan zal het moeten), maar nu laptops en tablets steeds populairder worden...? Ik vrees dat een always-on koel-systeem de accu onhandig snel leeg zou trekken.

Wat je even over het hoofd ziet is dat supergeleiders zelf geen warmte produceren als ze stroom geleiden (dat is één van de eigenschappen van supergeleiding). De weerstand van een supergeleider is letterlijk en figuurlijk nul, dus als zo'n ding eenmaal gekoeld is, dan blijft ie ook gekoeld omdat je er geen energie in hoeft te stoppen.

Een goed voorbeeld hiervan is de spoelen die ze voor een MRI gebruiken. Dat zijn supergeleiders die gekoeld worden door vloeibaar helium, maar waar (bijna) geen extra koeling voor nodig is om het jarenlang gekoeld te houden. De spoel zelf is één grote supergeleidende lus waar de nodige (kilo)ampères aan stroom in worden geïnduceerd, en als die stroom eenmaal loopt, dan blijft ie bijna eindeloos lopen tot de koeling wordt weggenomen.

De koeling zelf kost dan ook nagenoeg geen energie, omdat de supergeleider zelf geen warmte produceert en de heliumkoeling dus alleen zijn eigen systeem hoeft te koelen.

Die eigenschap maakt een supergeleider ook heel erg geschikt voor energie-opslag omdat je feitelijk geen verliezen hebt. Het wordt al toegepast in (prototype) elektrische voertuigen.

Je ziet helaas één dingetje over het hoofd: hoewel er bij de geleiding geen warmte-ontwikkeling optreedt betekent dat niet dat de processor als geheel geen warmte produceert. Twee manieren om ertegenaan te kijken:
[list]
• Om te schakelen moet je transistoren op- of ontladen. Tijdens het schakelen treedt (heel eventjes) een kortsluiting op van voeding naar aarde. Beide effecten produceren warmte.

Die effecten produceren warmte als er (normale) geleiders over je chip heen lopen. Het is ook het belangrijkste knelpunt waardoor een processor maar een beperkte snelheid kan hebben: Die wordt namelijk bepaald door zowel de weerstand (R) als de capaciteit (C) langs de verbindingen op een chip. Als je ergens supergeleiders inzet wordt die weerstand nul, en is dat gedeelte van de chip geen snelheidsbeperking meer.

Bovendien is het de weerstand die zorgt voor warmte-ontwikkeling. Weerstand maal stroom in het kwadraat is inmmers vermogen, en als de weerstand nul is (bij supergeleiders) kun je er zo veel stroom doorheen jagen als je wil, maar de vermogensontwikkeling wordt er niet meer op.

• Of om de details te laten voor wat ze zijn: als er geen warmte-ontwikkeling optreedt, dan verbruik je kennelijk ook geen energie. Dat zou betekenen dat je (koeling niet meegerekend) oneindig lang op één accu kunt doen. Dat klinkt te mooi om waar te zijn, dus dan moeten we wel iets gemist hebben. En andersom: zodra je energie verbruikt zul je ergens warmte produceren.

Die stelling is waar als je ergens arbeid verricht (iets in de fysieke wereld heen en weer verplaatst), maar het opslaan en verwerken van informatie kost volgens de wetten van de fysica niet direct energie. Dat is alleen zo in de manier waarop we het nu implementeren, omdat we informatie representeren als brokjes energie (fotonen) en we op dit moment nog geen methode hebben om die zonder verlies te vervoeren of te schakelen. Dat wil niet zeggen dat dat in de wetten van de fysica onmogelijk is.

@Caelestis:
Als je een machine ontwerpt die geen energie gebruikt dan heb je een perpetuum mobile... Nee, ik kan mijn uitspraak niet bewijzen, maar bij mijn beste weten wijst alles in de hedendaagse wetenschap erop dat het wel zo is.

Een machine (fysisch systeem) die geen energie gebruikt is nog niet noodzakelijk een perpetuum mobile. Dat wordt het pas als iets geen energie gebruikt, én onbeperkt interactie heeft met de buitenwereld.

Een voorwerp in stilstand kun je bijvoorbeeld ook als een 'machine' zien die geen energie verbruikt. Toch is het geen perpetuum mobile, want de toestand van het systeem verandert niet, en volgens de fysica betekent dat dat er ook geen energie voor nodig is. Dat geldt ook voor iets in beweging: Een ruimtevaartuig wat eenmaal een snelheid heeft, zal eindeloos die snelheid houden en op zijn eigen traagheid doorgaan.

Dezelfde regel gaat op voor een opgeladen condensator, een supergeleidende lus (nul verliezen, dus stroom blijft eindeloos in stand) of een vliegwiel in een vacuüm.

Het kost alleen wel energie om de toestand te veranderen, bijvoorbeeld er energie in te stoppen of eruit te willen halen. En dat is meestal wat we willen doen, want iets wat alleen energie op kan slaan en je het er uiteindelijk niet uit krijgt is nu eenmaal niet zo nuttig.

[Reactie gewijzigd door Stoney3K op 29 juli 2024 09:14]

[Caelestis]

Of om de details te laten voor wat ze zijn: als er geen warmte-ontwikkeling optreedt, dan verbruik je kennelijk ook geen energie. Dat zou betekenen dat je (koeling niet meegerekend) oneindig lang op één accu kunt doen. Dat klinkt te mooi om waar te zijn, dus dan moeten we wel iets gemist hebben. En andersom: zodra je energie verbruikt zul je ergens warmte produceren.

Dat er wij mensen vaak methodes gebruiken dat energie deels zoniet in zijn geheel omzet in warmte is tot daar aan toe, maar om nou een uitspraak zo neer te zetten alsof het een feit is dat als je energie gebruikt het altijd warmte als resultaat geeft is wel heel erg fout.

[Mathijs]

Exact, in supergeleidende toestand maakt het niet uit of het om een grote of een kleine stroom gaat.

[Origin64]

Nog steeds niets gevonden wat werkt bij kamertemperatuur. Je hoort het wel als het zo ver is...

[Blitzkrieg_Bob]

Dit is vet, we zijn natuurlijk nog jaren verwijderd van enige praktische toepassing, maar een optische (quantum)processor moet wel zo gruwelijk veel werk kunnen verzetten...

[Fiander]

je hoeft niet eens zo ver te kijken hoor.
wat een winst zou het geven wanneer FC netwerk switches de conversie naar elektriciteit kunnen overslaan.

[svennd]

Voor zover ik lees zou de quantum processor voornamelijk heel specifieke processen veel sneller kunnen doen, en niet zozeer de vervanging van huidige PC's CPU's.

[dasiro]

Eenmaal verkleind tot praktische afmetingen zou de optische transistor vooral interessant zijn voor quantumcomputers.

waarover ook nog altijd discussie is of hij bestaat

[mad_max234]

Nee quantumcomputers is bewezen theorie, en zijn zelfs al commerciële producten te koop die werkende quantumcomputers vormen, laatst is dat nog bevestigd dat zeer aannemelijk(plausible) is dat het quantumcomputers is, alles wijst erop.

nieuws: D-Wave quantumcomputer krijgt validatie

Als je bij wetenschap nog niet 100% bewijs hebt, dan streep je altijd dingen weg die minst aannemelijk zijn en gaat voor meest aannemelijk, tot je tegendeel hebt bewezen dat iets anders meer aannemelijk is of gewoon 100% bewijs blijf je bij meest aannemelijke.

Dat quantumcomputers al bestaat en werkend is is zeer aannemelijk!

[Reactie gewijzigd door mad_max234 op 29 juli 2024 09:14]

[svennd]

Niet alles met hoeven is een paard. D-Wave gebruikt quatum technologie, dat maakt hem nog geen quantum computer!

[Gelunox]

Stel je eens voor dat we straks processors krijgen die passief gekoeld of zelfs helemaal geen koeling meer nodig hebben!

[Douweegbertje]

erm ja, CPU's hoeven helemaal niet gekoeld te worden. Er zijn zat computers maar voornamelijk laptops die geen koeling op de cpu hebben.. hoogstens een "passieve" koeling in de vorm van een koelblokje..
CPU's die "hoog" draaien, produceren weer meer hitte en hebben dan een wat actievere koeling.. echter als je die gewoon zou downclocken hoeft er echt geen koeling op hoor.

[Bonez0r]

gotomtom95 bedoelt dat je dan geen prestatie meer hoeft op te offeren (downclocken) om passief te kunnen koelen. Het zou mooi zijn als zelfs de snelste processors gewoon passief gekoeld kunnen worden, of misschien actief maar dan met een veel kleinere heatsink.

[Xesior]

Je stelling is een beetje OT, maar des al niet te min:

Misschien met licht technologie (Glasvezel e.d.) maar zelfs dan zul je uitstoot krijgen gezien het gebruik van energie in wat voor vorm dan ook vertaald naar thermische uitstoot.

Alhoewel ik gok dat ze daar ook wel wat op uitvinden/uigevonden hebben/aan het testen zijn.
*Aanvulling van iemand die hier iets meer over weet ?

Hoe dan ook zie ik het potentieel van minder actieve koeling wel, nu dat we met kleinere processors gaan werken die minder consumeren.
En er nog flink wat geupgrade kan worden aan het huidige processor design (Materiaal)
Dus passief gaan ?
Dat zie ik echt nog wel gebeuren !

[Reactie gewijzigd door Xesior op 29 juli 2024 09:14]

[tweegroenethee]

Een quantum computer zal een personal computer waarschijnlijk niet gaat vervangen, meer info: http://youtu.be/g_IaVepNDT4?t=5m10s

[Sissors]

Ik verwacht zelf eerder dat het een extra insteekkaart is, vergelijkbaar met physics kaarten (oké misschien geen succesvolle vergelijking ). Maar primair dat je gewoon een binaire computer hebt, en dat sommige berekeningen worden geoffload naar je quantum kaartje die onder je graka in een pci slot zit.

[Xesior]

Dichtstbijzijnde van een 'quantum computer' dat je "voor-thuis" zou kunnen halen is een render-farm

Iets wat misschien langzaam intergrade nu dat we het einde naderen van Moore's law

Daarmee bedoel ik dat wanneer we het einde naderen dat technologie niet kleiner meer word, we het gaan opstacken om hogere snelheden te halen.
En je in principe uitrolt op de manier hoe een render-farm werkt.

Tenminsten als Cloud-Computing het niet voor is
Zelfde principe eigenlijks, maar dan via internet... (i.s.m. glasvezel e.d.)

[Reactie gewijzigd door Xesior op 29 juli 2024 09:14]

[Verwijderd]

Dichtstbijzijnde van een 'quantum computer' dat je "voor-thuis" zou kunnen halen is een render-farm

Een render-farm heeft natuurlijk niets met een quantum computer te maken. Een render farm is gewoon een stapel hardware die op decennia oude techniek werkt.

[Somethingsin]

wat moet ik me voorstellen bij een gasatoom? Volgens mij kan je alleen op macroschaal (of in elk geval meer dan een paar atomen) van zaken als gas, vloeistof, etc spreken....

[Svardskampe]

Dat vroeg ik me ook al af, gas is immers een toestand en niet een element. Zouden ze niet een edelgas bedoelen, (wat immers logisch is omdat die elementen het moeilijkst veranderen), en dit verbasterd is tot een 'gasatoom'?

Edelgassen zijn helium, neon, argon, krypton, xenon en radon voor zover ik weet.

[Verwijderd]

Binnenkort inplaats van Xenon op je wagen, Xenon in de computer architectuur

[Verwijderd]

Dit soort nieuws duikt vaker op. Het is ook niet het eerste bericht over mogelijk optische transistor. Het lijkt een beetje zoals het medicijn tegen AIDS nieuwsberichten, maar dan in de techno wereld als het medicijn tegen fysische grensen van electronen.

[Vlad86]

Awesomeness!!! zo als voorspeld na 3D chips komen photon chips.

Ik hoop om dit nog in mijn lifetime mee te maken!

[Fjerpje]

Hehe ik vind het wel steeds leuker dat we steeds meer over elektronen, fotonen en dergelijke gaan praten in plaats van slechts stroom. Dat was namelijk voor 10 jaar geleden nog anders.