Nyt koncept for digital elektronik kan fortsætte Moores lov

(PhysOrg.com) - Fremtidens computere fungerer muligvis ikke på elektroner, men på små bølger, der bevæger sig gennem en elektron "væske, "hvis et nyt forslag lykkes. Det nye kredsløbsdesign, for nylig introduceret af Dr. Héctor J. De Los Santos, CTO for NanoMEMS Research, LLC, i Irvine, Californien, kan være en lovende kandidat til at erstatte CMOS-baserede kredsløb, og i sidste ende fortsætte kredsløbstætheden som beskrevet i Moores lov.

Som Gordon Moore forudsagde for mere end 40 år siden, antallet af transistorer, der kan passe på en computerchip, er fordoblet cirka hver 18. måned. Men hvis tendensen skal fortsætte i de kommende år, det skal være med anden teknologi end det konventionelle CMOS -design. Da størrelsen på transistorer kommer ned til nanoskalaen, CMOS -enheder begynder at lide af flere problemer, såsom øget modstand, nedsat kanalmobilitet, og øgede produktionsomkostninger.

For at overvinde de udfordringer, der er forbundet med skalering, forskere fra hele verden er begyndt at lede efter alternativer til CMOS -teknologi. De Los Santos ’koncept, kaldet nano-elektron-fluidic logic (NFL), er baseret på strømmen af ​​plasmoner i en væskelignende elektrongas (dybest set en elektronvæske). Han forudser, at logiske porte med NFL -designet tilbyder potentiale for femtosekund -skiftehastigheder og sub -femtojoule -strømafbrydelser ved stuetemperatur - tal, der ville være yderst i stand til at fortsætte Moores lov ud over CMOS. De Los Santos ’papir vil blive udgivet i et fremtidigt nummer af IEEE -transaktioner om nanoteknologi .

Som De Los Santos forklarer, NFL -konceptet udnytter egenskaberne ved overfladeplasmabølger (SPW'er). Disse bølger formerer sig på inversionslaget ved den isolerende gate-halvleder-grænseflade (som, I dette tilfælde, legemliggør en elektrisk væske) og opfører sig som en SPW -bølgeleder. Når to SPW'er støder sammen, de afviser hinanden. I enhedens opsætning, en SPW lanceres fra en bestemt retning for at kollidere med en anden SPW, får det til at spredes i en af ​​to retninger, hvor det opdages og tolkes som et “1” eller, hvis det ikke opdages, et “0.”

For at starte processen, en SPW lanceres i en kanal fyldt med elektronvæske, der gafler i to kanaler, hver med en detektor for enden. Under ingen ydre kræfter, SPW'en bliver delt ligeligt, således at lige store dele vil blive detekteret ved de to endeterminaler. Men når en anden SPW lanceres i hovedkanalen fra venstre eller højre, det får den originale SPW til at bøje ind i den modsatte gaffel. For eksempel, en anden SPW, der kommer fra højre, ville styre den originale SPW ned ad venstre gaffel. Når SPW registreres på den venstre endeterminal, og ikke den rigtige, NFL-enheden danner grundlaget for en logisk flip-flop, have evnen til at gemme en smule hukommelse.

SPW -designet er konceptuelt forskelligt fra CMOS -designet i den forstand, at det er baseret på bølger frem for partikler. De Los Santos sammenligner SPW -konceptet med en bølge i en dam, der opstår, når en sten rulles ned i vandet. I denne analogi, vandet er elektronvæske, forstyrrelsen er en afvigelse fra ladningsneutralitet på et givet punkt i elektronvæsken (snarere end afvigelsen fra ligevægtspositionen for en partikel, der bevæger sig op og ned), og forstyrrelsen, der medfører afgang fra ladningsneutralitet, er SPW.

"Læg mærke til det, mens forstyrrelsen bevæger sig væk fra dens oprindelsessted, en partikel ved vandoverfladen forbliver samme sted; den bevæger sig kun op og ned, ”Fortalte De Los Santos PhysOrg.com . "Dermed, spredning af forstyrrelsen involverer ikke transport af masse. Faktisk, forstyrrelsen [SPW] bevæger sig med en hurtigere hastighed end den, hvormed de massive vandpartikler [elektroner] kunne transporteres. Dette fastslår, kvalitativt, hvorfor hastigheden på et SPW er større end en elektron. ”

Sammenlignet med, en konventionel CMOS -logik er baseret på at transportere elektroner gennem en kanal ved at etablere en elektronstrøm. Som De Los Santos forklarer, elektronstrømmen består af en samling af individuelle elektroner, der individuelt lider af kollisioner med urenheder og det vibrerende baggrunds halvledergitter. Disse kollisioner begrænser den maksimale hastighed, og den minimale effektafledning, opnås for at udføre en logisk funktion.

"Så, NFL er grundlæggende baseret på wave (SPW) lancering, formering og manipulation, og CMOS er baseret på kanalkonduktivitetsmodulation og partikeltransport, " han sagde.

I tilfælde af NFL -enheden, nøglen til at optimere dens densitet er at finde en optimal enhedslængde til den ønskede driftsfrekvens.

"Når den blev lanceret, SPW'er har en levetid, der afhænger af den afstand, de formerer sig, ”Sagde De Los Santos. "Hvis det punkt, hvor de opdages, er for langt væk fra oprindelsesstedet, SPW'erne vil dø, før de kommer derhen; ingen logisk handling kan udføres. Afstanden er for stor, enhedens størrelse vil være for stor, og enhedstætheden vil være lille. Nu, hvis detektionspunktet er for tæt på oprindelsen, SPW'erne hopper/reflekteres på detektionspunktet, og forplanter sig tilbage til oprindelsesstedet, hvor de vil blive reflekteret igen og forplante sig tilbage til detektionspunktet og så videre; dette er en resonansbetingelse. I dette tilfælde, enheden er lille, tætheden er stor, men hvad vi har er en oscillator. Imidlertid, hvis detektionsstedet er placeret i en sådan afstand, at SPW detekteres, før det dør, så rundrejsen tilbage til affyringsstedet er sådan, at den dør, før den kommer dertil, så har vi den rigtige enhedsstørrelse, og den rigtige enhedstæthed til NFL. ”

Med resonansbegrænsningen i tankerne, De Los Santos forudser, at den ultimative enhedstæthed ville være den for den mindste mulige plasmon, som er en elektrisk dipol. Da den mindste elektriske dipol er et atom, densiteten ville være lig med atoml -densiteten i areal af den anvendte atomtype. Sammenlignet med nuværende CMOS -funktionsstørrelser, NFL-logikken kan muligvis udføre den samme funktion på bare en fjerdedel af området.

Ud over dets potentiale for høj densitet, NFL -logikken har andre fordele, såsom en hurtig betjeningshastighed og et lille energibehov. SPW'er har en udbredelseshastighed på ca. 1 milliard cm/sek., som er to størrelsesordener større end elektroner. På nanoskala, denne hastighed muliggør skiftetider i størrelsesordenen femtosekunder, eller skiftefrekvenser på cirka 6 THz ved stuetemperatur. Hvad angår energi, den eneste krævede effekt er den nødvendige for at begejstre en SPW, som kan udføres af enhver nul -nul jævnstrøm. Vedligeholdelse af elektronvæsken kræver ubetydeligt strømforbrug, så enhedens samlede strømforbrug bestemmes af den mindste påviselige strøm.

Ud over, NFL -konceptet er kompatibelt med nuværende litografiske muligheder, gør det muligt at drage fordel af etableret halvlederfremstillingsinfrastruktur. NFL -logikporte kan også have grænseflade med konventionel elektronik. I fremtiden, De Los Santos planlægger at fortsætte med at undersøge mulighederne for NFL -logik.

“Forskning og udvikling er i gang for at behandle NFL-baseret design, i særdeleshed, asynkrone logiske designstile, og grænseflade med elektroner, fotoniske og plasmoniske systemer, ”Sagde De Los Santos. “NFL-baserede digitale logiske kredsløbsfunktioner forventes at fortrænge CMOS som en teknologi, der vil gennemsyre fra computerne, bærbare computere, og mobiltelefoner til kommunikationssatellitterne, instrumenteringsudstyr og fremtidens biler. ”

Mere information: Héctor J. De Los Santos. "Theory of Nano-Electron-Fluidic Logic (NFL):A New Digital 'Electronics' Concept." IEEE -transaktioner om nanoteknologi . At blive offentliggjort.

Copyright 2009 PhysOrg.com.
Alle rettigheder forbeholdes. Dette materiale må ikke offentliggøres, udsende, omskrevet eller omfordelt helt eller delvist uden udtrykkelig skriftlig tilladelse fra PhysOrg.com.