Egyetemünkön végzett kutatás újíthatja meg a számítástechnikát

A Wigner Fizikai Kutatóközpont vizsgálódásainak eredményeképp olyan új kapcsolási architektúrák jöttek létre, melyek elsőként lendíthetik előre a számítástechnikát.

2017. július 1-jén a Széchenyi 2020 program keretében a Magyar Tudományos Akadémia és a Wigner Fizikai Kutatóközpont együttese egy különös kutatásba kezdett. Ennek lényege a számítástechnikában jelenleg használt mikroelektronikai eszközök technológiájának szélesítése és továbbfejlesztése volt. A pályázatot azért írták ki, mert a számítógépprocesszorok órajele, a kapcsolási sebesség és az egy bit tárolására alkalmas memória fizikai mérete elérte határait. A kapcsolás időtartama – mely meghatározza az egyes eszközök gyorsaságát – általában 100 pikoszekundum (a másodperc milliomodrészének tízezredrésze), az információtárolásra használt doménméret pedig 100 nanométer. Ahhoz azonban, hogy ennél gyorsabban lehessen logikai műveleteket végrehajtani, új kapcsolási építőelemekre volt szükség. 

Hogy a területen kevésbé jártasak is értsék

Az elektronikus eszközök sebessége és képessége körülbelül kétévente megduplázódik, mely miatt a technológiai cégeknek minden évben újabb, gyorsabb és okosabb megoldásokkal kell előállniuk. Így történt ez az adattovábbítással is, melyet a jelenlegi technológiával nehéz tovább fejleszteni. Erre a célra eddig tranzisztorokat használtak, melyek az elektronikus eszközök működtetésére használt apró elektromos kapcsolók. Ezek lekicsinyítése okozta a nehézséget: ezek a chipekbe ültetett kicsi kapcsolók körülbelül 7 nanométeresek – mely méret nemsokára eléri azt a határt, aminél kisebb már nem lehet. Főként úgy, hogy közben nagyobb teljesítményű is legyen. 

A kutatóközpont által kidolgozott technológiának köszönhetően azonban a folyamat jelentősen felgyorsult úgy, hogy közben a tárolható adat mennyisége is nőtt. Ezt új, optikai kapcsolási technikákkal érték el. Korábban a tranzisztorok vezeték segítségével, elektromos jeleket felhasználva küldték az információkat a processzorok között, míg az új technika a fotonokból álló fényt hívja segítségül – ezzel egy újfajta tranzisztort létrehozva. Ezt az eszközt hasonlóan lehet elképzelni, mint egy digitális fényképezőgépet. Az információ először a lencsébe érkezik, ahonnan egy csatornán keresztül a képérzékelőtől a kamerán belüli vezetékekhez jut. Ezt követően kerül a memóriakártyára, amit a tranzisztor “lefolyójának” nevezünk – ide kerül végül az információ. Eddig ez mind elektronok mozgatásával történt, a kutatás azonban a fényt használja fel, mellyel fotonokat mozgat. A kutatók ezen optikai jelek kapcsolásával gyorsítják fel a folyamatokat – egy új, nanooptikai tranzisztort létrehozva. Vannak olyan molekuláris rendszerek is, melyek állapotának fénnyel való megváltoztatása lehetővé teszi az architektúra információtárolását is. Az ilyen, átkapcsolható molekulák mérete egy nanométernél is kisebb, állapotukat pedig egy pikoszekundumnál is gyorsabban változtathatják.

A magyar kutatók nemzetközi hírnévre tettek szert

A Wigner Fizikai Kutatóközpont három kutatócsoportja e folyamat kidolgozását kezdte el öt évvel ezelőtt. A projekt keretében sikeresen fejlesztettek olyan nanooptikai és lézeres mérési módszereket, melyeknek köszönhetően fontos felfedezéseket tettek a lézerfény által irányított elektronok nanométeres tartományban történő mozgásáról, valamint az alkalmazásokban használható molekulák femtomásodperces (a másodperc milliomodrészének milliárdodrésze) időskálán történő átalakulásairól. Az eredményeket különböző külföldi vezető folyóiratokban is publikálták, a központ szakembereinek javaslataira pedig még a nemzetközi kutató-közösség is felfigyelt. 

A felfedező kutatáshoz 440,34 millió forint állt a csoport rendelkezésére, mely lehetővé tette több korszerű és egyedülálló műszer beszerzését. Az ötéves vizsgálódás során létrehoztak nyolc versenyképes új kutatói munkahelyet is, melyre Dániából, Svédországból és az Egyesült Államokból is hazatértek magyar kutatók. Sőt, egy vezető cseh kutató is a budapesti intézetet választotta munkahelyéül. A pályázat emellett hét diplomamunkát, valamint négy PhD fokozatot hozott az ELTE, a BME és a Pécsi Tudományegyetem számára.

A kutatás nem áll meg: a csoport olyan eszközök kifejlesztésén dolgozik, melyekkel egyszerű logikai műveletek is megvalósíthatók lesznek.