Forskere rapporterer om energieffektive koblingsenheder i nanoskala

Ved ubønhørligt at miniaturisere en computerteknologi fra før Anden Verdenskrig, og kombinerer dette med et nyt og holdbart materiale, forskere ved Case Western Reserve University har bygget nanoskala-kontakter og logiske porte, der fungerer mere energieffektivt end dem, der nu bruges af milliarder i computere, tablets og smartphones.

Elektromekaniske kontakter var byggestenene i elektronik, før solid-state transistoren blev udviklet under krigen. En version lavet af siliciumcarbid, på den mindste skala, tændes og slukkes som en lyskontakt, og uden noget af det energispildende strømlækage, der plager den mindste elektronik i dag.

Forskerne rapporterer deres resultater i dag ved International Electron Devices Meeting i Washington D.C.

Den lille kontakts bevægelige del er kun omkring en kubik mikron i volumen, mere end tusind gange mindre end enheder fremstillet i nutidens almindelige mikroelektromekaniske systemer (MEMS). Dermed, denne kontakt kan bevæge sig meget hurtigere og er meget lettere.

Switchen har også vist sig holdbar, opererer i mere end 10 millioner cyklusser i luften, ved omgivende temperaturer og høj varme uden tab af ydeevne - langt længere end de fleste andre kandidater til en ikke-lækkende kontakt.

En sådan tolerance kan gøre det muligt for elektronikproducenter at bygge en computer, der fungerer inden for den intense varme fra en atomreaktor eller jetmotor. Siliciumtransistorer begynder at forringes ved omkring 250 grader Celsius (480 grader Fahrenheit). Test har vist, at siliciumcarbidkontakterne fungerer ved mere end 500 grader Celsius (930 grader Fahrenheit).

Udviklingen er markant, fordi koblingsenheder er kernen i computer- og kommunikationsteknologier.

"I vores lommer og rygsække, i dag bærer vi ofte mobile enheder, der består af milliarder af sådanne byggeklodser, som tænder og slukker for at udføre informationsbehandlingsfunktionerne, " forklarede Philip Feng, professor i elektroteknik og datalogi ved Case Western Reserve og leder af projektet.

Siliciumbaserede metal-oxid-halvleder-felteffekttransistorer, kaldet MOSFET'er, er de dominerende koblingsenheder i integrerede kredsløb og har ført til mange ekstraordinære teknologier, der nydes i dag, sagde Feng. Men den fortsatte miniaturisering af silicium MOSFET'er i løbet af de sidste årtier er for nylig blevet bremset, da strømforbrug og varmeafledning er blevet store udfordringer.

Energi går tabt og varme genereres, fordi MOFSET'er i nanoskala lækker som en gammel vandhane. Elektroner fortsætter med at rejse gennem en kontakt, der er slukket.

"Siliciumswitcherne lækker strøm ved omkring 1 til 10 nanowatt hver, " sagde Feng. "Når du har en milliard af disse på en computerchip, du mister et par til titusinder af watts effekt. Det vil forbruge det batteri, du bærer, selv når transistorerne ikke aktivt udfører computerfunktioner."

Store datacentre spilder ikke kun den energi, de betaler omkostningerne til køling for at forhindre, at computere overophedes.

Tina han, Prof. Fengs ph.d.-studerende i elektroteknik og datalogi ved Case School of Engineering, vil give detaljer om at lave og teste switchene i sin præsentation, Siliciumcarbid (SiC) nanoelektromekaniske kontakter og logiske porte med lange cyklusser og robust ydeevne i omgivende luft og høj temperatur, ved det internationale møde. Hun er planlagt til at tale i sessionen "Nano Device Technology – Steep-Slope Devices" kl. 15.40. (Østlig amerikansk tid), Mandag, 9. dec.

Forskerholdet har lavet tre-terminal, gate-kontrollerede switches og forskellige former for logiske porte – grundlæggende elementer, der bruges i databehandling og kommunikation.

"Sammenlignet med silicium og andre gængse materialer, SiC er ret speciel, fordi den er meget mere modstandsdygtig over for oxidation, til kemiske forurenende stoffer og slid, " Feng sagde. "Disse egenskaber bør egne sig til enheder med mere robust ydeevne og samtidig beskytte dem mod barske driftsmiljøer."