Transistor sætter en ny standard for energieffektivitet

Smartphones, bærbare computere og smartwatches bruger enorme mængder energi, men kun omkring halvdelen af ​​denne energi bruges faktisk til at drive vigtige funktioner. Og med milliarder af disse enheder i brug verden over, en betydelig mængde energi går til spilde. Professor Adrian Ionescu og hans team ved EPFL's Nanoelectronic Devices Laboratory (Nanolab) har lanceret en række forskningsprojekter i jagten på at gøre transistorer mere energieffektive. "Transistoren er det mest udbredte kunstige objekt nogensinde skabt af mennesker, "siger prof. Ionescu." Det muliggør hele vores beregningsinfrastruktur og den måde, vi interagerer i realtid med bærbar informationsbehandling i det 21. århundrede. Det danner den grundlæggende byggesten til både digital og analog signalbehandling."

Energieffektivitet betyder noget

"I dag, vi ved, at den menneskelige hjerne forbruger omtrent den samme mængde energi som en 20 Watt pære, " siger Ionescu. "På trods af at jeg bruger så lidt energi, vores hjerne er i stand til at udføre opgaver, der er flere størrelsesordener mere komplekse end hvad en computer kan håndtere – analysere information fra vores sanser og generere intelligente beslutningsprocesser. Vores mål er at designe elektronisk teknologi til bærbare enheder, der i effektivitet svarer til menneskelige neuroner."

Transistoren bygget af EPFL-forskerne hæver barren for energieffektivitet. Udviklet i School of Engineering (STI) renrum, det omfatter 2-D lag af wolframdiselenid (WSe ₂ ) og tin diselenid (SnSe ₂ ), to halvledende materialer. Kendt som en 2-D/2-D tunneltransistor, det udnytter WSe's båndjustering ₂ /SnSe ₂ portkryds. Og fordi den kun måler nogle få nanometer, det er usynligt for det menneskelige øje. Som en del af samme forskningsprojekt, Nanolab-teamet designede også en ny hybrid dual-transport struktur, der en dag kunne skubbe teknologiens ydeevne endnu længere.

At bryde grænser

Med denne transistor, EPFL-teamet har også brudt en af ​​de grundlæggende grænser for elektroniske enheder. "Tænk på en transistor som en kontakt, der kræver energi for at tænde og slukke, " forklarer Ionescu. "I analogi, forestil dig, hvor meget energi det ville tage at klatre til toppen af ​​et schweizisk bjerg og stige ned i den næste dal. Tænk så, hvor meget energi vi kunne spare ved at tunnelere gennem bjerget i stedet for. Det er præcis, hvad vores 2-D/2-D tunneltransistor opnår:den udfører den samme digitale funktion ved at bruge meget mindre energi."

Indtil nu, videnskabsmænd og ingeniører havde undladt at bryde denne grundlæggende energiforbrugsgrænse for 2-D/2-D komponenter af denne type. Men den nye transistor ændrer alt det, sætter en ny standard for energieffektivitet i den digitale switchproces. Nanolab-teamet arbejdede sammen med gruppen ledet af professor Mathieu Luisier ved ETH Zürich for at teste og bekræfte den nye tunneltransistors egenskaber via atomistisk simulering. "Det er første gang, vi har brudt denne grundlæggende grænse, samtidig med at den opnår højere ydeevne end en standardtransistor lavet af det samme 2-D halvledende materiale, og ved en meget lav spændingsforsyning, " siger prof. Ionescu.

Fra wearables til edge AI

Denne nye teknologi kunne bruges til at bygge elektroniske systemer, der er næsten lige så energieffektive som neuronerne i vores hjerne. "Vores neuroner fungerer ved omkring 100 millivolt (mV), eller cirka 10 gange mindre end den spænding, der leveres af et standardbatteri, " siger prof. Ionescu. "Vores teknologi fungerer i øjeblikket ved 300 mV, hvilket gør den omkring 10 gange mere effektiv end en konventionel transistor." Ingen anden elektronisk komponent, der findes i dag, kommer tæt på dette effektivitetsniveau.

Dette længe ventede gennembrud har potentielle anvendelser inden for to områder:bærbare teknologier (såsom smartwatches og smart tøj) og chips til edge AI. Men at forvandle dette proof-of-concept til et industrielt produkt vil stadig kræve flere års hårdt arbejde.