R&D magazine
2020_282_13
Raziskovalci so ustvarili bolj izvedljiv način za združevanje tranzistorjev in pomnilnika v čipih, kar lahko omogoči hitrejše izvajanje računskih operacij.
Računalniški čip uporablja dve različni napravi za obdelavo in shranjevanje informacij. Če bi inženirji lahko ti dve napravi združili v eno ali jih postavili drugo poleg druge, bi bilo na čipu več prostora, zaradi česar bi bil hitrejši in zmogljivejši. Inženirji z univerze Purdue so razvili način, s katerim bi lahko milijoni drobnih stikal za obdelavo informacij – tranzistorji – tudi shranili te informacije v isti napravi.
Metoda, ki je podrobno opisana v članku, objavljenem v reviji Nature Electronics, je pravzaprav kombinacija tranzistorja z visoko zmogljivo pomnilniško tehnologijo, kot jo uporablja večina računalnikov, imenovano feroelektrični RAM. Raziskovalci se sicer že desetletja trudijo, da bi oboje združili, vendar se težave pojavijo na vmesniku med feroelektričnim materialom in silicijem, polprevodniškim materialom, iz katerega so tranzistorji izdelani. Zaradi tega feroelektrični RAM sedaj deluje kot ločena enota na čipu, kar omejuje njegov potencial za izboljšanje računskih zmogljivosti.
Skupina, ki sta jo vodila Peide Ye, Richard J. in Mary Jo Schwartz, profesorica elektrotehnike in računalništva v Purdue-ju, je odkrila, kako premagati naravno smrtno sovražni odnos med silicijem in feroelektričnimi materiali. »Uporabili smo polprevodnik, ki ima feroelektrične lastnosti. S tem oba materiala postaneta kot en material, zato vam ni treba skrbeti za težave z vmesnikom med njima,” je dejal Ye. Rezultat je tako imenovani feroelektrični polprevodniški tranzistor s poljskim učinkom, zgrajen na enak način kot tranzistorji, ki se trenutno uporabljajo v računalniških čipih.
Uporabljen material, alfa-indijev selenid, ima ne samo feroelektrične lastnosti, temveč rešuje tudi vprašanje tipičnega feroelektričnega materiala, ki zaradi tako imenovane široke pasovne vrzeli običajno deluje kot izolator in ne kot polprevodnik, kar pomeni, da nosilci toka ne morejo preiti skozi, zato se ne morejo izvesti nikakršna izračunavanja. Alfa indijev selenid ima to vrzel veliko manjšo, zaradi česar je material lahko polprevodnik brez izgube feroelektričnih lastnosti.
Mengwei Si, doktorski raziskovalec elektrotehnike in računalništva, je zgradil in preizkusil tranzistor ter ugotovil, da je njegova zmogljivost primerljiva z obstoječimi feroelektričnimi poljskimi tranzistorji in jih lahko z večjo optimizacijo celo preseže. Podporo pri modeliranju sta ponudila Sumeet Gupta, asistent za električno in računalniško tehniko v Purdueju ter kandidat za doktorja znanost Atanu Saha.
Skupina Si in Ye je sodelovala tudi z raziskovalci na Georgia Institute of Technology, da bi sestavili alfa-indijev selenid v prostor na čipu, imenovanem feroelektrični tunelirni spoj, ki bi ga inženirji lahko uporabili za izboljšanje zmogljivosti čipa. Ekipa je to delo pred kratkim predstavila na mednarodnem srečanju elektronskih naprav IEEE 2019. V preteklosti raziskovalci niso mogli zgraditi visokozmogljivega feroelektričnega tunelirnega spoja, ker je zaradi njegovega širokega pasu plast v materialu postala predebela, da bi se skozi njo lahko prebili nosilci električnega toka. Ker ima alfa indijev selenid precej manjšo vrzel, je material debel le 10 nanometrov, kar omogoča, da skozi njega vseeno lahko steče nek tok.
Večji tok omogoča, da se površina čipa zmanjša vse do velikosti nekaj nanometrov, kar naredi čipe bolj zgoščene, manjše in energetsko učinkovitejše, je dejal Ye. Tanjši material – tudi do debeline atomske plasti – omogoča tudi to, da so elektrode na obeh straneh tunelirnega stičišča lahko veliko manjše, kar bi bilo koristno za izdelavo elektronskih vezij, ki posnemajo povezave v človeških možganih.
Raziskava je bila izvedena v nanotehnološkem centru Purdue Discovery Park Birck, podprli pa so jo Nacionalna znanstvena fundacija, Urad za znanstvene raziskave zračnih sil, Semiconductor Research Corporation, Defense Advanced Research Projects Agency in ameriški urad za pomorstvo.
Še nekaj o Discovery parku
Discovery Park je kraj, kjer raziskovalci iz Purduja presegajo tradicionalne okvire in sodelujejo na različnih področjih ter se skupaj s politiki in vodstvi podjetij trudijo ustvarili rešitve za boljši svet. V središču raziskovalcev Discovery Park so veliki raziskovalni izzivi globalnega zdravja, globalnih konfliktov in varnosti ter tisti, ki se tičejo trajnostne oskrbe z energijo, svetovne preskrbe s hrano, vodo in v zvezi z okoljem. Vpliv raziskovalnega duha je prek Discovery Park vtkan v podjetniške programe podjetij in različna partnerstva.
Vir:
- Avtor: Heather Hall, December 2019
- https://www.rdworldonline.com/reorganizing-a-computer-chi-transistors-can-now-both-process-and-store-information/
