Lys-transistorer, hva har skjedd med dem?

[FLarsen]

Jeg kom over en artikkel om en lys- (foton-) transistor som altså skulle kunne erstatte de, tradisjonelle, elektriske transistorene som nå brukes i f.eks prosessorer.

De skal både være (ganske) klare til bruk og fungerer bra etter hva jeg har forstått.

 

Så jeg lurer bare på hvor de ble av, og om de i det hele tatt fungerer. Kan det være at de ikke er i bruk pga. bakoverkompabilitet (slik som det er snakk om her)? Ikke vet jeg.

 

Skulle gjerne likt å se disse på markedet hvis de fungerer slik som de skal.

[Feynman]

Klar til bruk er ikke det samme som å ha et innarbeid produksjonsapparat, stabile kunder og velutviklet teknologi. CMOS-teknologi er såpass billig at det vil ta en stund før noen vil ta risken ved å bruke denne teknologien. Kort sagt; gevinsten er ikke verdt prisen.

 

De vil muligens bli brukt først i optiske rutere. I dag er det vanlig at lyssignalene går gjennom en fiber til en ruter som gjør om dataene til elektriske signaler. De elektriske signalene tolkes, og dataen gjøres om til optiske signaler på en annen tråd. Det drives med utvikling av rutere som ikke bruker denne O-E-O omformingen. Til dette bruket er foton-transistoren nyttig.

[FLarsen]

Hm, får satse på at det snart er verdt det da. Kunne trengt noen flere GHz.

[Codename_Paragon]

Linjebredde på chipper idag er på 65nm, ca. en tiendel av synlig lys, og fortsatt på vei nedover. Optiske leder må være minst like stor som bølgelengden av lyset du operer med, derfor vil optiske kretser være ganske store, og fysisk størrelse setter grense for hastighet. Mye fiberoptikk bruker IR i størrelsesorden mikrometer.

 

Der optiske kretser ser ut til å ha en troverdig fremtid er

- optisk kommunikasjon chip-til-chip

- optisk kommunikasjon kort-til-kort

- optisk transformasjoner (fourier osv)

 

Har du et presserende behov for mer guffe, og pris ikke er noe problem, vil jeg anbefale RFSQ.

[FLarsen]

Tar jeg ikke helt feil så er bølgelengden til UV-lys 50nm så det skulle ikke bli noe problem. Trenger ikke være synlig lys vet du.

 

EDIT: Er vel kanskje litt usikkert men X-ray er på 1nm, så kan det brukes vil det gi store forbedringer.

Endret 23. oktober 2005 av FLarsen

[Codename_Paragon]

UV rundt 50nm er ganske dypt inn i UV, problemet her er at mange stoffer ikke er transparante i dette området (kvarts kan fungere). I tillegg er UV-generering vanskelig, ikke minst på denne skalaen. Båndgapet er så stort at jeg ikke kan komme på noen halvlederprosess som kan fremstille nok slikt lys.

[kyrsjo]

Ja, du trenger ganske mye energi for å danne UV - jeg vil tro at du må eksitere elektroner i materialet, og du må eksitere dem langt får å få UV.

 

Problemet med Röntgen er det samme som UV (bare ennå større), pluss at Röntgen er vanskelig å styre - speil etc. ...

[FLarsen]

UV rundt 50nm er ganske dypt inn i UV, problemet her er at mange stoffer ikke er transparante i dette området (kvarts kan fungere). I tillegg er UV-generering vanskelig, ikke minst på denne skalaen. Båndgapet er så stort at jeg ikke kan komme på noen halvlederprosess som kan fremstille nok slikt lys.

5047902[/snapback]

 

Rart, Colossal Storage bruker 50nm UV-lys til å lese fra disken de utvikler. Må jo kunne gå an i en cpu hvis de kan klare det i en harddisk. Man kan vel og bruke en større UV-kilde og lede den inn i flere mindre ledninger og derfra inn i cpuen.

 

Er ikke glass laget av kvarts?

[Simen1]

Jeg er enig med det Codename_Paragon skriver. Både lys og elektriske signaler beveger seg nært lysets hastighet. Det som begrenser hastigheten er da hvor tett kretsene er plassert. Hele brikken bår gå rimelig synkront. Hvis brikken er f.eks 1x1cm så vil det på grunn av måten ledningene legges være 2cm mellom to komponenter som står i hvert sitt hjørne. La oss si at brikken tåler å være inntil 2% ute av fase. Da vil denne brikken kunne takle hastigheter på opp til 3GHz. Avstanden mellom transistorer er alltid noe større enn tykkelsen på de tynneste lederene. F.eks 10 ganger så store. I tilfellet 65nm kan vi estimere avstanden til å være ca 520nm mellom hver transistor. Hvis vi tenker oss at transistorene er like tett plassert over hele brikken så vil den romme ca 237 millioner transistorer. Ytelsen vil da være et resultat av hvor smart disse tranistorene kobles og klokkefrekvensen. La oss si at en tilsvarende optisk prosessor går på 650nm lys og dermed har 650nm som minste avstand og 6,5 mikron som avstand mellom de optiske enhetene. Da vil brikken ha plass til ca 2,37 millioner kretser. Klokkefrekvensen kan være den samme 3GHz, men ytelsen vil selvfølgelig begrenses voldsomt av det lave transistorantallet. Alternativet å øke brikkestørrelsen er ikke spesiellt bra det heller. For å få plass til like mange optiske kretser som 237 millioner så må størrelsen på brikken økes fra 1x1 til 10x10cm. Det vil igjen føre til at klokkefrekvensen må skrus ned for å ikke få for stor forskyvning i signalet. Ut fra ligningen over vil det si ned til 0,3GHz. En slik optisk brikke vil altså yte ca en tiendel av en tilsvarende elektrisk brikke.

 

Jeg ser noen skriver om 50nm UV-lys, men det tror jeg er alt for vanskelig å implementere. Så energirik UV har også en tendens til å erodere bort materiale slik at kretsen vil bli svært kortvarig. Jeg tror også det er andre problemer med så energirik UV. Optiske kretser er neppe laget for det nå.

 

Om få år vil elektriske kretser krympes videre ned til 45nm, 22nm, 16nm 11nm, 8nm. Et slikt race vil ikke lys kunne følge med på.

 

En annen viktig ting er selvfølgelig at en så drastisk omlegging av produksjonen neppe vil være billig. Lys er også uprøvet teknologi når det kommer til masseproduksjon av kretser og dermed høy risiko å ta for selskapene som prøver det.

[Skagen]

Om få år vil elektriske kretser krympes videre ned til 45nm, 22nm, 16nm 11nm, 8nm. Et slikt race vil ikke lys kunne følge med på.

5050029[/snapback]

 

Av ren nysgjerrighet, hvordan forhindrer man at spenningen hopper mellom to transistorer ved denne størrelsen? Er ikke dette allerede et problem ved 90nm?

[Simen1]

Jo mindre avstander, jo bedre isolasjonsmaterialer må man ha (high-k), men man kan også redusere lekkasjer ved å redusere spenningen. Akkurat hvordan dette vil gjøres på 8nm eller om 8nm noen gang blir mulig i masseproduksjon er ennå usikkert, men forskningen gjør stadig små steg fremover. For 5 år siden så det vanskelig ut for alt under 130nm. Nå ser det ganske greit ut helt frem til 45nm. Om 5 år er kanskje 45nm vanlig og veikartet et par hakk fremover ser sikret ut.

 

Hvis man skulle holdt på sånn og byttet bølgelengde på UV-lys annenhvert år så ville man måtte forske frem nye materialer og redesigne produksjonsprosessen grundig for hver eneste generasjon. Dette er mye lettere på elektriske integrerte kretser.

 

Integrerte optiske kretser eksisterer til helt spesielle oppgaver, (transformasjoner slik Codename_Paragon sier) men hvordan kan man masseprodusere slike kretser billig? Det har jeg ikke noe svar på. Dagens optiske brikker koster flesk.

[Feynman]

Når man er nede på 8 nm får man en del problemer som ikke relateres til selve produksjonen. F.eks. er skalen så liten at man muligens må ta med kvantefenomen i beregningene. En bredde på 8 nm tilsvarer ca. 40 atomer! Hvis det er nødvendig å senke spenningen for å hindre lekkasjer vil kretsen bli mer følsom for støy. Metalledere vil mest sannsynlig brenne opp når dimensjonene er på dette nivået.

[Simen1]

Ja, det er ikke bare bare å komme ned på 8nm. Det er mange ting som må løses får man kommer dit.

 

Noen av tingene, slik som støy kan avhjelpes med mer redundans på lavere nivåer. F.eks feilkorreksjoner for hvert steg i pipelinen. Temperatur og "hotspots" kan selvfølgelig bli et problem, men dette kan også avhjelpes på mange mårer. F.eks bedre transistorkarakteristikker, kortere makslengder på ledere, bedre isolasjonsmaterialer osv. Kvantemekaniske effekter det finnes allerede mange av i dagens kretser og det forskes mye på hvordan disse kan utnyttes til fordel for kretsen og ulempene kan begrenses. Blandt annet kombinasjonsmaterialer (nanoteknologi) virker lovende. Dette er materialer som består av lag med forskjellige atomer og som får andre fysiske egenskaper i bulk enn de to utgangsmaterialene.

 

Det er fortsatt mange utfordringer som må løses før man når 8nm og jeg vet ikke om det er mulig å komme så langt, men det er ikke helt utenfor rekkevidde heller.

[kyrsjo]

Når man er nede på 8 nm får man en del problemer som ikke relateres til selve produksjonen. F.eks. er skalen så liten at man muligens må ta med kvantefenomen i beregningene. En bredde på 8 nm tilsvarer ca. 40 atomer! Hvis det er nødvendig å senke spenningen for å hindre lekkasjer vil kretsen bli mer følsom for støy. Metalledere vil mest sannsynlig brenne opp når dimensjonene er på dette nivået.

5051376[/snapback]

 

Er ikke allerede kvantemekaniske fenomener (elektron-tunelleffekt) ansvarlig (samme med andre ting, som varme...) for at man ikke kan klokke CPU'er så høyt man gidder?

[Feynman]

Er ikke allerede kvantemekaniske fenomener (elektron-tunelleffekt) ansvarlig (samme med andre ting, som varme...) for at man ikke kan klokke CPU'er så høyt man gidder?

5052352[/snapback]

Klokkehastigheten er vel begrenset av varme (som ordnes av nedkjøling) og tiden det tar for å skifte logisk nivå i kretsen (som gir en absolutt grense).

 

Halvledere er jo basert på kvantemekanikk, men det var ikke det jeg siktet til. Så lenge man har en stor mengde atomer (husker ikke helt tallet som tilsvarer "stort") snakker man om makrosystemer. Dvs. at materialet oppfører seg ihht. det som er mest sannsynlig. Kvantefenomener er så sporadiske at de ikke gir noen innvirken. Når man går ned på nm-skalaen (det som kalles nano-teknologi) får man mange flere kvantefenomen som ikke lenger kan oversees.

[Simen1]

Klokkehastigheten er vel begrenset av varme (som ordnes av nedkjøling) og tiden det tar for å skifte logisk nivå i kretsen (som gir en absolutt grense).

5052437[/snapback]

Raskere switching kan oppnås ved å øke driftspenninga, men dette krever selvfølgelig også bedret kjøling. Likevel er det en maksimal grense for hvor spenning man kan tilføre. For høy spenning gir noe som heter elektromigrasjon. En slags "errosjon" av transistor-gater som reduserer levetiden uansett hvor lav temperaturen er.

Endret 24. oktober 2005 av Simen1

[FLarsen]

Jeg er enig med det Codename_Paragon skriver. Både lys og elektriske signaler beveger seg nært lysets hastighet. Det som begrenser hastigheten er da hvor tett kretsene er plassert. Hele brikken bår gå rimelig synkront. Hvis brikken er f.eks 1x1cm så vil det på grunn av måten ledningene legges være 2cm mellom to komponenter som står i hvert sitt hjørne. La oss si at brikken tåler å være inntil 2% ute av fase. Da vil denne brikken kunne takle hastigheter på opp til 3GHz. Avstanden mellom transistorer er alltid noe større enn tykkelsen på de tynneste lederene. F.eks 10 ganger så store. I tilfellet 65nm kan vi estimere avstanden til å være ca 520nm mellom hver transistor. Hvis vi tenker oss at transistorene er like tett plassert over hele brikken så vil den romme ca 237 millioner transistorer. Ytelsen vil da være et resultat av hvor smart disse tranistorene kobles og klokkefrekvensen. La oss si at en tilsvarende optisk prosessor går på 650nm lys og dermed har 650nm som minste avstand og 6,5 mikron som avstand mellom de optiske enhetene. Da vil brikken ha plass til ca 2,37 millioner kretser. Klokkefrekvensen kan være den samme 3GHz, men ytelsen vil selvfølgelig begrenses voldsomt av det lave transistorantallet. Alternativet å øke brikkestørrelsen er ikke spesiellt bra det heller. For å få plass til like mange optiske kretser som 237 millioner så må størrelsen på brikken økes fra 1x1 til 10x10cm. Det vil igjen føre til at klokkefrekvensen må skrus ned for å ikke få for stor forskyvning i signalet. Ut fra ligningen over vil det si ned til 0,3GHz. En slik optisk brikke vil altså yte ca en tiendel av en tilsvarende elektrisk brikke.

5050029[/snapback]

 

En utregning konvertert fra elektrisitet til lys og tilbake vil være treig, men man skal kunne bytte ut hele kortet med en optisk krets og slippe denne konverteringen. Det vil si at på rundt 1± minutter har lyset i alle utregningene "reist til månen", mens en elektronisk krets ville hengt en del etter. Optiske kretser vil ikke produsere varme (kilden kan gjøre det), og kan derfor legges i flere lag, f.eks som en kube. Pga varmen ville en vanlig prosessor smeltet av de høye temperaturene.

 

Som sagt ville en elektrisk krets (som er jeg ganske sikker på) kunne byttes ut med en optisk, uten noen elektrisitet - lys - elektrisitet (EOE tror jeg det heter) konvertering.

For å ta noen eksempler:

 

Capasitor (Vet ikke hva det heter på norsk): Her kan EOE være nyttig, men eneste bruksområde i denne typen krets ville være timere, og de skal uansett være "treige".

Lagring: For å trekke inn eksempelet med FeDisken til Colossal Storage; Den leser ved bruk av 50nm UV-lys, dette kan komme rett fra en prosessor og disken vil behandle det som hvilken som helst annen OR/XOR gate. Skriving til disken krever derimot et magnetfelt men det skal nok kunne gå raskere det og, man leser jo mye oftere (untatt til nedlasting, men der er hastigheten begrenset av internett-tilkoblingen) av en disk enn man skriver til den.

Lys: Sier seg selv.

Lyd: EOE, men den må uansett klokkes ned.

Mus, tastatur, annet brukergrensesnitt: Man skriver ikke ved lysets hastighet, altså ikke noe problem med EOE.

OR/XOR/AND/NAND/NOT: Har men to kan man lage alle, og man har OR og XOR.

 

Og antakelig mye mer jeg ikke kommer på i farten.

[Simen1]

Ja, det er klart. Hvis man må ha konvertering mellom optiske og elektriske signaler så vil det føre til litt ekstra latency, så optiske kretser blir nok uansett litt tregere enn det eksemplet jeg satt opp.

 

Men jeg ser ikke helt for meg at optisk lagring skal bli noe særlig i forhold til SRAM og DRAM.

 

Og ennå en gang: Hvordan skal man masseprodusere dette billig? Ikke minst: Hvordan masseprodusere en slik "kube"?

[FLarsen]

Ja, det er klart. Hvis man må ha konvertering mellom optiske og elektriske signaler så vil det føre til litt ekstra latency, så optiske kretser blir nok uansett litt tregere enn det eksemplet jeg satt opp.

5052697[/snapback]

 

Jo, men de konverteringene gjelder bare for slikt som mus, tastatur, lyd, og trådløst internett. Her er latency nødvendig for at tingene skal fungere, de må uansett begrenses til menneskets evne til å oppfatte det eller, med tråløst, bølgelengde og slikt til ufarnige stråler.

 

 

Men jeg ser ikke helt for meg at optisk lagring skal bli noe særlig i forhold til SRAM og DRAM.

 

Står mye om dette på colossals sider; www.colossalstorage.com

 

 

Og ennå en gang: Hvordan skal man masseprodusere dette billig? Ikke minst: Hvordan masseprodusere en slik "kube"?

 

Trenger ikke å være en kube, det jeg mente var at man kan forme den som man vil uten å risikere overoppheting.

 

Hvordan kunne man tenke seg å masseprodusere så små elektriske transistorer for 20 år siden?

 

Masseproduksjon (eller produksjon) kan nok fåregå ganske så likt som med den elektriske varianten. Bare med kvarts?/glass? og en form for speil.

 

Det jeg mente med kube var å legge flere transistorlag oppå hverandre.

[Feynman]

Capacitor (Vet ikke hva det heter på norsk): Her kan EOE være nyttig, men eneste bruksområde i denne typen krets ville være timere, og de skal uansett være "treige".

5052654[/snapback]

Det heter kondensator på norsk. Det er forøvrig en analog komponent så jeg ser ikke helt hva den skal være godt for i en digital krets.

Og antakelig mye mer jeg ikke kommer på i farten.

Ja. Du kan bl.a. ta med en brysom nødvendighet som kalles "investor". Innen den tid man finner en slik vil muligens annen teknologi stille sterkere i forbrukermarkedet. At lystransistorer brukes i nisjeprodukter, som i optisk kommunikasjon, har jeg større tro på.