6. januarja, 2021

Preskok vrzeli lahko pospeši delovanje elektronike

Revija logo se - Preskok vrzeli lahko pospeši delovanje elektronikePo mnenju mednarodne skupine inženirjev je lahko kvazi delec, ki potuje vzdolž povezave med kovino in dielektričnim materialom, rešitev za težave, ki jih povzroča potreba po nenehnem zmanjševanju velikosti elektronskih komponent.

“Mikroelektronski čipi so danes prisotni vsepovsod,” sta povedala Akhlesh Lakhtakia, profesor z univerze Evan Pugh in Charles Godfrey Binder, profesor inženirske znanosti in mehanike v Penn Stateu. “Hitrost teh čipov omejujejo čas zakasnitve širjenja signala v kovinsko-žičnih medsebojnih povezavah, električne izgube v kovinah, ki vodijo do povišanja temperature in navzkrižni presluh med sosednjimi medsebojnimi povezavami, ki izhajajo iz vse večje miniaturizacije in zgoščevanja.”

8 1 1 300x156 - Preskok vrzeli lahko pospeši delovanje elektronike

Del integriranega vezja, ki prikazuje mikrovezja. Vir: antoinebercovici

Te elektronske komponente se nahajajo v naših pametnih telefonih, tabličnih in vseh ostalih računalnikih, v varnostnih sistemih ter se uporabljajo v bolnišnični opremi, v vojaških napravah za obrambo in naši transportni infrastrukturi.

Raziskovalci so raziskali različne načine za rešitev problema povezovanja različnih miniaturiziranih komponent v svetu elektronike, ki postaja vedno manjši. Medtem ko je fotonika, področje uporabe svetlobe za prenos informacij, privlačna zaradi svoje hitrosti, pa je ta pristop problematičen, saj so svetlobni valovodi večji od trenutne velikosti mikroelektronskih vezij, kar otežuje uporabo takšnih povezav.

Impulzno modulirani SPP (Surface Plasmon Polaritons) val, ki se premika desno, voden po povezavi med dielektričnim materiallom (zgoraj) in kovino (spodaj), nenadoma naleti na zamenjavo dielektričnega materiala z zrakom. Večina energije se prenese na stik med zrakom in kovino, nekaj pa se je odbije na vmesnik med dielektrikom in kovino. Video na spletni strani članka zajema časovno obdobje 120 femtosekund (slika 2).

Raziskovalci v nedavni številki Scientific Reports poročajo, da “signal lahko potuje na velike razdalje brez večje izgube svoje prvotne oblike in velikosti” in “da bi lahko signale v mikroelektronskih čipih prek zraka prenašali SPP valovi v razdaljah tudi več deset mikrometrov.”

Ugotavljajo tudi, da vsi izračuni kažejo na to, da so SPP valovi sposobni prenašati informacije celo okrog konkavnega vogala – kar je situacija, ki je skupaj z zračnimi režami v mikrovezjih običajna.

8 2 1 300x200 - Preskok vrzeli lahko pospeši delovanje elektronike

Pulzno modulirani SPP val, ki se premika proti desni, voden v vmesniku med dielektričnim materialom (zgoraj) in kovino (spodaj), je nenadoma naletel na zamenjavo dielektričnega materiala z zrakom. Večina energije se prenese na vmesnik zrak / kovina, nekaj pa se odbije na vmesnik dielektrik / kovina. Video zajema 120 femtosekund. Vir: Akhlesh Lakhtakia, Penn State

SPP so skupinski pojav. Ti kvazi delci potujejo vzdolž stika med prevodno kovino in dielektrikom (neprevodnim materialom, ki lahko podpira elektromagnetno polje) in so na makroskopski ravni videti kot val.

Lakhtakia je tudi mnenja, da so prav SPP tisti, ki dajejo zlatu poseben lesketajoč sijaj. Površinski učinek lahko pod določenimi pogoji povzročijo elektroni v kovini in polarizirani naboji v dielektričnem materialu in skupaj tvorijo SPP val. Ta val, ki potuje na prehodu med obema materialoma, se lahko še naprej širi, tudi če ima kovinska žica prekinitev ali se kovinski dielektrični vmesnik nenadoma konča. Val SPP lahko potuje po zraku nekaj deset mikrometrov, kar naj bi po velikosti ustrezalo 600 tranzistorjem, nameščenih drug ob drugem v čipih, ki so izdelani s 14-nanometrsko tehnologijo.

Poleg tega lahko SPP valovi potujejo le, če so v neposredni bližini prehoda med kovino in dielektrikom, zato ne povzročajo presluhov.

Težava pri uporabi SPP valov pri načrtovanju vezij je v tem, da čeprav raziskovalci eksperimentalno vedo, da ti valovi obstajajo, je teoretična podlaga tega pojava manj opredeljena. Maxwellove enačbe, ki obravnavajo SPP valove, pokrivajo kontinuum frekvenc in so zelo zapletene.

“Namesto da bi Maxwellove enačbe reševali po frekvencah, kar je nepraktično in se zelo nagiba k  računskim napakam, smo raje naredili več posnetkov elektromagnetnih polj,” je dejal Lakhtakia.

Ti posamezni posnetki potem nanizani skupaj postanejo film, ki prikazuje širjenje pulzno moduliranega SPP vala.

“Preučujemo težke probleme,” je dodal Lakhtakia. “Preučujemo probleme, ki so bili pred desetimi leti še nerešljivi. Izboljšane komponente za preračunavanje so sicer spremenile naše razmišljanje o teh težavah, vendar še vedno potrebujemo več pomnilnika.”

Vir: https://phys.org/news/2019-09-gap-electronics-faster.html

Avtorja: A’ndrea Elyse Messer, Pennsylvania State University