Ingenieure der Technischen Universität Dänemark haben einen Nanolaser gebaut, der verändern könnte, wie Chips Informationen bewegen, indem er elektrische Signale durch Licht ersetzt.
Das Gerät basiert auf einem Nanoresonator, der Licht auf außergewöhnlich kleinem Raum einfängt, ein Design, das das Team extreme dielektrische Begrenzung nennt. Weil das Licht so eng eingeschlossen ist, arbeitet der Laser bei Raumtemperatur und braucht sehr wenig Energie. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
Licht statt Elektronen
Moderne Prozessoren treiben Daten über Kupferbahnen als elektrischen Strom, was Energie als Wärme verschwendet und langsamer wird, wenn Signale reisen. Optische Verbindungen verbinden bereits Server in Rechenzentren, aber ihre Verkleinerung auf einen Chip war schwierig, weil Laser normalerweise viel größer sein müssen als die Transistoren um sie herum.
Das DTU-Design durchbricht diese Größenbegrenzung. Tausende der Laser könnten auf einem Mikrochip sitzen, jeder sendet Photonen durch einen Wellenleiter statt Elektronen durch einen Draht. „Der Nanolaser eröffnet die Möglichkeit, eine neue Generation von Komponenten zu schaffen, die hohe Leistung mit minimaler Größe verbinden“, sagte Professor Jesper Mork, der die Arbeit leitete.
Woher die Einsparungen kommen
Mork schätzt, dass der Einsatz von Nanolasern in Computern den Energieverbrauch um bis zu die Hälfte senken könnte. Der Gewinn käme nicht aus einer Verbesserung, sondern aus mehreren zugleich: weniger Widerstandswärme in Schaltkreisen, weniger Kühlung in Rechenzentren und schnellere Übertragungsraten, die Chips Arbeit früher beenden lassen. Rechenzentren verbrauchen bereits einen großen und wachsenden Anteil des globalen Stroms, sodass kleine Effizienzgewinne zu großen Einsparungen skalieren.
Das Team baute das Gerät im DTU Nanolab Reinraum. Das verbleibende Problem ist die Energie. Der aktuelle Laser wird optisch angetrieben, und ihn mit elektrischem Strom zu betreiben ist die nächste Forschungsherausforderung. Mork sagte, dieser Schritt könnte fünf bis zehn Jahre dauern und würde die Tür zum optischen Rechnen auf einem Chip öffnen.
Über das Rechnen hinaus sehen die Forscher Anwendungen in der Gesundheitstechnologie, wo konzentriertes Licht hochauflösende Bildgebung und sehr empfindliche Biosensoren ermöglicht.