Depășirea „tiraniei Boltzmann” pentru a permite, poate, într-o zi, electronice mult mai eficiente
De ce contează: Tranzistoarele de siliciu sunt grozave, dar la fel ca orice alt obiect din lumea fizică, sunt reținute de câteva limitări. Legile fizicii pun un blocaj asupra performanței și eficienței energetice. Acum, un grup de ingineri MIT poate să fi găsit o modalitate de a depăși aceste limite folosind un design radical nou de tranzistor care se comportă în moduri cuantice sălbatice.
Problema pe care o abordează este ceea ce se numește „tirania Boltzmann”. Se referă la limita fundamentală a cât de puțină tensiune este necesară pentru a porni și opri un tranzistor de siliciu la temperatura camerei, unde dacă reduceți prea mult tensiunea, tranzistorul își pierde capacitatea de comutare. Această etajă de tensiune previne câștiguri majore în eficiența energetică pentru electronice, ceea ce ar putea fi o problemă, deoarece aplicațiile AI consumate de energie preiau mai multe sarcini de procesare.
Echipa MIT a fabricat tranzistori experimentali din materiale semiconductoare unice, cum ar fi antimoniură de galiu și arseniura de indiu, mai degrabă decât siliciul tradițional. Cercetarea este finanțată, parțial, de Intel Corporation și a fost publicată recent în Nature Electronics.
Cu toate acestea, adevărata magie este în designul lor unic 3D minuscul, proiectat cu instrumente de precizie la MIT.nano, unitatea dedicată cercetării la scară nanometrică a universității. Tranzistoarele prezintă heterostructuri verticale de nanofire cu un diametru minuscul de doar 6 nanometri, despre care cercetătorii cred că sunt cei mai mici tranzistori 3D raportați vreodată.
La acea scară, intră în joc unele efecte cuantice care permit tranzistorilor să ocolească limitele fizice ale siliciului. Oamenii de știință au proiectat tranzistoarele pentru a realiza tunelul cuantic, în care electronii se pot teleporta peste un strat de barieră izolatoare, mai degrabă decât să treacă peste el, lăsând tranzistorul să pornească cu mult mai puțină tensiune. Un alt efect este izolarea cuantică, în care dimensiunile înguste ale nanofirului modifică proprietățile materialelor.
Combinarea acestor efecte a permis dispozitivelor MIT să scoată ceva ce siliciul nu poate realiza: timpi de comutare extraordinari, folosind foarte puțină tensiune. Testele au arătat că panta lor de tensiune de comutare a fost mai abruptă decât limitele convenționale ale siliciului. De fapt, performanța actuală a fost de aproximativ 20 de ori mai bună decât alte tranzistoare experimentale de tunel.
„Aceasta este o tehnologie cu potențialul de a înlocui siliciul, așa că ați putea să o utilizați cu toate funcțiile pe care le are în prezent siliciul, dar cu o eficiență energetică mult mai bună”, spune autorul principal Yanjie Shao, un post-doctorat al proiectului.
Desigur, este un drum lung de la dovada conceptului până la comercializare, iar echipa recunoaște acest lucru.
„Cu fizica convențională, nu poți ajunge decât până acum. Lucrarea lui Yanjie arată că putem face mai bine decât atât, dar trebuie să folosim fizică diferită. Sunt multe provocări încă de depășit pentru ca această abordare să fie comercială în viitor, dar conceptual, este într-adevăr o descoperire”, spune autorul principal al lucrării, Jesús del Alamo de la Departamentul de Inginerie Electrică și Informatică al MIT.
Echipa observă, de asemenea, că trebuie să perfecționeze producția pentru a face tranzistoarele la scară nanometrică mai uniforme pe un întreg cip.
Nu este prima dată când MIT lucrează pentru a depăși limitele Legii lui Moore. La începutul acestui an, oamenii de știință de la MIT au prezentat un tranzistor cu capacitatea de a comuta în nanosecunde, oferind o durabilitate de un miliard de cicluri.
