又有突破!科学家发明新逻辑门,使计算机速度提高上百万倍

又有突破!科学家发明新逻辑门,使计算机速度提高上百万倍

计算机就是处理海量数据的机器。几十年来,随着集成电路的发明和进步,计算机体积变得越来越小巧,运行速度变得越来越快,但现在似乎已经快触摸到瓶颈了。

不过,罗切斯特大学和德国埃尔朗根-纽伦堡大学的研究人员,通过利用同步的激光脉冲,已经在实验室中创造出了有史以来最快的逻辑门,研究人员称,如果这一成果能够获得实际应用,将使计算机的速度提高数百万倍。此成果已发表在《自然》期刊上。

集成电路又叫芯片,由数量众多的电子元件组成,是一种可实现特定功能的微型电子器件。现在通常制造在半导体晶圆上。

而逻辑门是数字集成电路的基本组件,用来处理离散化的数字信号,由若干个晶体管的组合构成,包括与门、或门、非门等。逻辑门通过控制高、低电平(分别代表逻辑上的真与假或二进制当中的0和1),就能实现以二进制为基础的逻辑运算。不同的逻辑门组合在一起,便能实现更为复杂的逻辑运算。

以CPU(中央处理器)为例,它是现代计算机的核心硬件之一,是世界上晶体管密度最高的集成电路,封装着上亿数量级的晶体管,其内部逻辑门的数量达到了百万级别以上,专门用来处理数值运算和逻辑运算。

要想让计算机变得更快,就要让它在单位时间内能处理更多的数据。逻辑门作为处理数据的基本单元,它的运行速度自然决定了计算机的整体运行速度。

受晶体管开关速度限制,现阶段集成电路中的逻辑门处理一次信号时,耗时在纳秒(10∧-9秒)级别。

而该团队在实验室中新研发的逻辑门,处理一次信号的耗时已缩小至飞秒(10∧-15秒)级别,证明了逻辑门可以在飞秒级的时间范围内运行。这耗时可比纳秒短了一百万倍。这意味着,在相同的时间内,新逻辑门一次可以处理比以往多上百万倍的数据。

目前我们以GHz(吉赫兹)为单位衡量数据处理速度,而新逻辑门将使计算机的处理速度提升至PHz(皮赫兹)级别。

为了提高逻辑门的运行速度,研究人员尝试使用高频激光来引导材料中的电子运动,将激光脉冲转化为电信号,构建新的逻辑门。

该团队制作了由两个金电极连接和石墨烯微带结构,当石墨烯微带结构被两个同步的激光脉冲击中不同位置时,这两个位置将激发出实或虚这两种不同的电荷载流子。实载流子在激光脉冲停止照射后仍可作定向移动;而虚载流子是只在激光激发时存在的电子,在激光停止照射后将停止定向移动。

通过控制这两束激光脉冲的相位,便能够产生两种电荷载流子中的其中一种。这两种载流子产生的电流可以相互叠加或相互抵消。叠加被认为是1输出,而抵消则被认为是0输出,以此便可做逻辑运算。

该团队的研究员Tobias Boolake称,虽然这项技术可能还需要很长时间才能应用于计算机芯片上,但这表明光波电子技术(利用激光来引导材料内电子的运动,并利用其中存在的物理效应来构建电子学基本元件的技术)在实际应用中是可行的,它很有可能是计算机技术发展的新方向。

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