Нова разработка на учени от MIT обещава огромен напредък в полупроводниците
(снимка: CC0 Public Domain)
Специалисти от Масачузетския технологичен институт (MIT) създадоха ултратънък транзистор, който изпреварва съществуващите транзистори по редица характеристики. Новият полупроводник има изключително високи скорости на превключване и работи много надеждно.
Транзисторът е полупроводников компонент, който позволява да се контролира голям ток в изходна верига, като се използва малък входен сигнал. Като част от микросхема, транзисторът може да изпълнява функциите на усилване, генериране, превключване и преобразуване на електрически сигнал.
По-голямата част от съвременните интегрални схеми са базирани на транзистори. Скоростта на превключване на транзистора, тоест преходът от „затворено” (практически без протичане на ток) към „отворено” (течащ ток) състояние и обратно, може да повлияе на цялостната производителност на компютърните устройства, изградени на негова основа.
Превключване за наносекунди
Едно от най-значимите предимства на транзистора, разработен в MIT, е неговата висока скорост на превключване – само за няколко наносекунди (10 на минус 9 секунди), отбелязва Tom’s Hardware. За сравнение, използваните днес компоненти са способни да променят състоянието си в рамките на стотици наносекунди.
Този резултат е постигнат чрез използване на специален фероелектричен материал (фероелектрик) на базата на борен нитрид, създаден от учените в MIT през 2021 г. Материалът за транзистора се получава чрез поставяне на няколко ултратънки слоя борен нитрид един върху друг с леко изместване помежду им в хоризонталната равнина.
Така изграденият материал придобива свойството на спонтанна поляризация (отрицателните и положителните заряди спонтанно се втурват в противоположни посоки). Излагането на материала на външно електрическо поле позволява обръщане на поляризацията. Описаните процеси могат да протичат при стайна температура, според публикация в сп. Science.
Ултратънък дизайн
Друго практически полезно свойство на новия компонент е неговата свръхмалка дебелина (декларирани са милиардни от метъра). Ако разработката бъде успешно комерсиализирана, тя ще позволи на производителите на чипове да създават компоненти с по-плътно оформление, повишена производителност и енергийна ефективност.
Това е много важно за бъдещите системи, работещи с алгоритми за изкуствен интелект, тъй като днес „апетитът” за електричество ограничава мащабирането на центровете за данни.
Не се износва
И накрая, учените от MIT обещават дълъг експлоатационен живот на новия транзистор, което се дължи на използвания иновативен материал. Разработчиците твърдят, че транзисторът не показва никакви признаци на влошаване на производителността след 100 милиарда операции по превключване.
Използването на такива транзистори в производството на флаш памет може потенциално да доведе до появата на твърдотелни устройства (SSD), които практически не се износват.
Днешните SSD дискове имат до голяма степен ограничен експлоатационен живот, чиято продължителност се определя от максималния брой цикли на запис, гарантиран от производителя. Топ моделите все още могат да издържат презаписване на до 700 TB информация на 1 TB място за съхранение.
Единствен екземпляр
В момента екипът от MIT е произвел единствен образец на новия транзистор, за да демонстрира възможностите му на практика. Технологията, разбира се, не е лишена от своите недостатъци и разработчиците ще трябва да преодолеят редица проблеми, преди да се опитат да я комерсиализират.
„Има няколко проблема. Но ако бъдат решени, този материал ще се впише добре в бъдещата електроника”, казва Рей Ашори, един от членовете на екипа, разработил транзистора, без да уточнява какви са проблемите.
Други членове на изследователската група отбелязват високата сложност на производството на големи количества както от новия материал, така и от транзисторите, базирани на него, която не е сравнима с използваните в момента технологии за обработка на конвенционални силициеви пластини.
Към теоретичните граници
През 2013 г. специалисти от Националната ускорителна лаборатория SLAC, част от Министерството на енергетиката на САЩ, измериха скоростта на превключване на фрагмент от магнетит (една от потенциалните алтернативи на силиция в полупроводниците) от състояние на проводник в състояние на изолатор. Оказа се, че материалът променя свойствата си за 1 пикосекунда (10 на минус 12 секунди). Изследването е публикувано в Nature Materials.
Теоретичната граница на скоростта на превключване на транзистора се определя от стойността на времето на Планк, което във физически смисъл определя времето, през което една частица, движеща се със скоростта на светлината, ще преодолее дължината на Планк и възлиза на 5,391247(60)*10 на минус 44 сек.
През 2021 г. изследователи от Виенския технически университет разработиха транзистор, който е в състояние да променя параметрите си в движение, в съответствие с проблема, който се решава в определен момент. Микросхема, изградена с него, може да носи до 85% по-малко транзистори, като същевременно изпълнява всички функции, характерни за класическия транзистор.
Разработката дава възможност за намаляване на крайния размер на чипа, както и за намаляване на консумацията на енергия и разсейването на топлината, което от своя страна предоставя широки възможности за увеличаване на производителността.