Overskridelse af den nedre grænse for computerenergiforbrug

Ny FLEET-forskning bekræfter potentialet for topologiske materialer til væsentligt at reducere den energi, der forbruges af computere.

Samarbejdet mellem FLEET-forskere fra University of Wollongong, Monash University og UNSW har vist i en teoretisk undersøgelse, at brug af topologiske isolatorer frem for konventionelle halvledere til at lave transistorer kunne reducere gatespændingen til det halve, og energien brugt af hver transistor med en faktor fire.

For at opnå dette, de måtte finde en måde at overvinde det berømte 'Boltzmanns tyranni', der sætter en nedre grænse for transistorskifteenergi.

De fandt et overraskende resultat:gatespænding påført en topologisk isolator kunne skabe en barriere for elektronstrøm, der er større end spændingen selv gange elektronladningen, et resultat, man tidligere troede var umuligt.

Missionen for ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies (FLEET) er at reducere den uholdbare energibelastning af informations- og computerteknologi (IKT), forbruger nu omkring 10 % af den globale elektricitet.

Transistorer:De er ikke kun i bedstefars skur radio

Computerchips indeholder milliarder af transistorer - bittesmå elektriske kontakter, der udfører computerens grundlæggende koblingsoperationer.

Individuelle transistorer i dag er så små som 5 nanometer på tværs (5 milliontedele af en millimeter).

Transistorer bruger en spænding påført en 'gate'-elektrode til at tænde og slukke for strømmen, der flyder mellem 'source' og 'dræn'-elektroder. Den energi, der bruges til at oplade gate-elektroden, bliver smidt væk, hver gang hver transistor tænder og slukker. En typisk computer har bogstaveligt talt milliarder af transistorer, der tænder og slukker milliarder af gange hvert sekund, tilføjer en masse energi.

Konventionelle transistorer er lavet af halvledere, materialer, der har et 'båndgab' eller en række energier, inden for hvilke elektroner er forbudt. Handlingen af ​​spændingen påført til porten er at flytte dette område af forbudte energier for at tillade ('on'-tilstanden) eller blokere ('off'-tilstanden) de energier, hvormed indkommende elektroner bevæger sig fra kilde til dræn.

I en ideel transistor, 1 volt påført porten ville bevæge sig op ad området af energier blokeret af 1 elektron-volt.

Lækage 'Tyranny' sætter en nedre grænse for at skifte energi

Hvor stor en barriere skal der til for at transistoren kan fungere korrekt?

Problemet er, at energierne af elektronerne, der kommer fra kilden, i sagens natur er "smurt ud" ved en begrænset temperatur, så der er altid nogle få elektroner med tilstrækkelig høj energi til at komme over barrieren. Denne "lækage"-strøm fører til spild af energi.

Grundlæggende termodynamiske overvejelser kræver, at for at reducere strømmen med en faktor 10 kræver det at hæve barrieren med omkring 60 milli-elektron-volt ved stuetemperatur. Men for at undgå spild af energi via lækstrøm kræver det, at strømmen reduceres med en faktor på omkring 100, 000, eller en barriere på omkring 300 milli-elektron-volt, som kræver en gate-spænding på mindst 300 millivolt.

Denne minimale portspænding sætter en nedre grænse for koblingsenergien.

Dette kaldes 'Boltzmanns tyranni' efter Ludwig Boltzmann, der beskrev udtværingen af ​​partiklernes energier efter temperatur.

Boltzmanns tyranni menes at begrænse, hvor lille driftsgatespændingen kan være for en transistor, uanset hvilket materiale den er lavet af.

Overvind Boltzmanns grænse med nye materialer

Forskere i FLEET var nysgerrige på, om en anden effekt kunne bruges til at lave en barriere for elektronstrøm i en transistor.

I nogle materialer, et elektrisk felt kan ændre størrelsen af ​​båndgabet. De spekulerede på, om det elektriske felt på grund af spænding påført en gateelektrode kunne bruges til at udvide båndgabet og skabe en barriere for elektroner. Svaret er ja, men for typiske materialer slår denne effekt ikke Boltzmanns tyranni:1 volt påført porten kan stadig kun gøre en barriere, der ikke er større end 1 elektron-volt.

Forskerne besluttede at se på en særlig klasse af materialer kaldet topologiske isolatorer, som har et båndgab, der reelt er negativt.

"Tynde (todimensionelle) topologiske isolatorer er isolerende i deres indre, men opfør langs deres kanter, " forklarer hovedforfatter Muhammad Nadeem (University of Wollongong). "I denne tilstand kan de fungere som en "on"-tilstand for en transistor, med strøm båret af de ledende kanter."

"Båndgabet af en topologisk isolator kan også ændres af et elektrisk felt, " siger Nadeem. "Når det bliver positivt, materialet er ikke længere en topologisk isolator, og har ikke længere ledende kanter, fungerer meget som en almindelig halvleder, med båndgabet, der fungerer som en barriere for elektronstrøm (den 'fra'-tilstand)."

Imidlertid, forskerholdet fandt ud af, at i modsætning til en almindelig halvleder, stigningen i båndgabet (i elektronvolt) i den topologiske isolator kan være større end spændingen påført til porten (i volt), at slå Boltzmanns tyranni.

"De rigtige topologiske materialer kunne skifte ved spændinger, der er halvt så store som en tilsvarende konventionel transistor, som kun ville kræve en fjerdedel af energien, " siger medforsker Dimi Culcer (UNSW).

Hvor skal man herfra?

Der er mange udfordringer tilbage. Undersøgelsen er i øjeblikket kun teoretisk. Medforsker Xiaolin Wang (UOW) siger "nogle af kandidatmaterialerne såsom bismuthen, et enkelt atomtykt lag af vismut arrangeret i en bikagestruktur, er kun lige begyndt at blive studeret i laboratoriet, og er endnu ikke blevet lavet om til transistorer."

Andre materialer er stadig på tegnebrættet, og det vides endnu ikke, hvordan man syntetiserer dem. "Imidlertid, " siger medforsker Michael Fuhrer (Monash), "Forskere inden for FLEET arbejder hårdt på at lave disse nye materialer, karakterisere dem, og inkorporer dem i elektroniske enheder."