Af Palle Vibe, Alt om Data
Denne artikel er oprindeligt bragt på Alt om Data. Computerworld overtog i november 2022 Alt om Data. Du kan læse mere om overtagelsen her.
Fremtidens computere kan få op mod tusind gange højere beregningshastighed – og det bliver der brug for. Nutidens computerteknologi kan snart ikke blive meget hurtigere.
Et forskningsteam fra Center for Nano Optik ved Syddansk Universitet har i samarbejde med Aalborg Universitet fundet princippet bag en computer, der ikke arbejder med elektromagnetiske strømme, men med lysbølger. Denne teknologi vil ikke blot kunne føre til lynhurtige computerchips, men vil også give os bedre skærmopløsning på mobiltelefoner, hurtigere internet og ultrasmå og superfølsomme optiske sensorer.
I dag bevæger mange af nettets informationssignaler sig gennem lyslederkabler med helt op til 10 Tbit/s. Når det kommer til computeren hjemme på bordet, skal informationssignalerne imidlertid kravle gennem elektriske ledninger, og det begrænser hastigheden til cirka 10 Gbit/s – altså hen ved tusind gange langsommere end lyssignaler ført gennem lysledere, der yderligere har den fordel, at de kan overføre væsentlig mere information på samme tid.
Kapaciteten kan øges en smule ved at lade flere processorer arbejde sideløbende eller parallelt. Det svarer lidt til at bygge flere jernbanespor (signalveje) ved siden af hinanden og sende flere godstog af sted på én gang. Hastigheden bliver ikke nødvendigvis meget større, men de kan transportere mere gods. Til gengæld bruger flere tog mere energi, og tilsvarende bruger de hurtigste parallelle supercomputere i dag samme mængde energi som en hel by på størrelse med Odense.
Men det danske forskerhold ledet af professor Sergey I. Bozhevolnyi fra Institut for Teknologi og Innovation vil nu kombinere optik og elektronik på en måde, så informationerne reelt bliver båret af lys i stedet for elektromagnetiske strømme. Det giver mulighed for, at ikke bare computere men også mobiltelefoner, fladskærme og mange andre it-enheder vil kunne håndtere data op til tusind gange hurtigere, end det kan lade sig gøre i dag.
Lys kræver plads
Det er imidlertid ikke uden problemer at erstatte de elektroniske kredsløb i en computer med mikrokredsløb, der virker med lys. Problemet er nemlig, at lys opfører sig som bølger, der som udgangspunkt fylder op til ti gange mere end elektrisk strøm og kun kan presses sammen til et vist punkt, hvorefter det vil udvide sig igen.
Fænomenet er kendt som lysets diffraktionsbegrænsning og medfører, at optiske kredsløb nødvendigvis må være en del større end konventionelle elektroniske IC-kredse. Og det er jo ikke ønskeligt, hvis lysteknik skal kunne anvendes i andet end store stationære computere.
For at finde en vej omkring denne begrænsende naturlov arbejder forskerne på Center for Nano Optik med en teknologi, som kaldes nano-plasmonik, hvor man kombinerer elektronik og optik. Hidtil har man forsøgt at styre lyset med fotoniske krystaller dvs. mikroskopiske krystalstrukturer, men da lysbølger i en fotonisk krystal kun kan udbrede sig inden for specifikke bølgelængder uden at skabe interferens mellem elektroner og atomer i siliciummaterialet eller visse områder af den fotoniske krystal, er metoden vanskelig at administrere.
Sergey I. Bozhevolnyi og hans forskerteam har derfor udviklet en alternativ teknologi baseret på ”blandingsbølger” eller SPP’ere (Surface Plasmon Polaritons), som de også kaldes. Disse bølger opstår som en vekselvirkning mellem elektromagnetiske bølger og elektroner yderst i et metallag og er mulige at styre langs riller ætset i metal. I praksis har guld vist sig at være det bedste valg til metallaget, der nærmest er udformet som en ”brobelægning” af guld med bittesmå guldforhøjninger anbragt med 400 nanometers mellemrum.
Mellem ”brostenene” ridser forskerne glatte kanaler eller riller, og SPP-bølgerne vil nu bevæge sig støt langs rillen, som løb de i en ledning. De fleste vil jo nok straks anse brugen af guld for også at være en temmelig dyr løsning, men blot ét gram guld vil kunne række til at fremstille kredsløb til adskillige computere, så det er ikke nødvendigvis prisen, som optager professor Sergey I. Bozhevolnyi og hans kolleger.
Et noget mere alvorligt problem er det tab af energi, der opstår, når disse ”blandingsbølger”, skal bære informationssignaler i små kredsløb. Bølgeledere, som kredsløbene kaldes, leder nemlig ikke bare lyset, de absorberer det også. Jo mindre kredsløbene bliver, jo mere lys bliver der absorberet, og jo mere energi går der tabt.
Forskerne leder derfor efter en metode til at forstærke lyset undervejs i kredsløbet. I øjeblikket kan lyssignalerne ikke bevæge sig længere end nogle få hundrede mikrometer (1/1000 mm), før også de mister deres energi og dør ud. Men spørgsmålet er, om det ikke også er tilstrækkeligt, når det drejer sig om super-miniaturiserede integrerede kredsløb.
Ikke til salg i morgen
Projektet skal foreløbig køre over fire et halvt år, og det involverer foruden de to danske universiteter også sensorvirksomheden Senmatic som partner. Forskerteamet vil derfor helst ikke sætte konkret årstal på lanceringen af en lyscomputer, en lystablet eller en lysmobil.
”I første omgang vil SPP-teknologien nok mest sandsynligt vinde indpas som indmad i visse supercomputere,” forudser Sergey I. Bozhevolnyi, ”og derpå vil teknologien sandsynligvis gradvis finde vej til hjemmecomputeren og mobile enheder”, forklarer han.
Lederen af forskningsteamet forestiller sig imidlertid også, at nano-plasmonics-teknologien vil kunne indgå i et fint samarbejde med en helt anden, fremtidig computer-teknologi.
”Jeg har talt med folk, der arbejder med kvantecomputere, og man kan sagtens tænke sig en løsning, hvor en del af sådan en computer fungerer i samspil med nano-plasmonics,” vurderer Sergey I. Bozhevolnyi.
Forskningsprojektet er led i et større, europæisk IP-projekt kaldet ”PhoxTroT”, som konkret går ud på at udvikle supersmå, optiske komponenter med høj ydeevne, lavt energiforbrug og et konkurrencedygtigt omkostningsniveau.
De danske forskere deltager desuden i det europæiske forskningsprojekt ”PLATON” (Processing Light – Advanced Technologies for Optical Nanostructures), der også tager sigte på at anvende plasmonik i optiske kredsløb til effektiv og hurtig dataoverførsel. De danske forskere har yderligere modtaget en bevilling på knap 20 millioner kroner fra Det Frie Forskningsråd, så der er virkelig alvor bag den danske lyscomputerforskning.
