Forskere udvikler adaptive transistorer i nanometerskala

Normalt består computerchips af elektroniske komponenter, der altid gør det samme. I fremtiden vil der dog være mulighed for mere fleksibilitet:Nye typer adaptive transistorer kan lynhurtigt skiftes, så de kan udføre forskellige logiske opgaver efter behov. Dette ændrer grundlæggende mulighederne for chipdesign og åbner helt nye muligheder inden for kunstig intelligens, neurale netværk eller endda logik, der arbejder med flere værdier end blot 0 og 1.

For at opnå dette stolede forskere ved TU Wien (Wien) ikke på den sædvanlige siliciumteknologi, men på germanium. Dette var en succes:Den mest fleksible transistor i verden er nu blevet produceret ved hjælp af germanium. Det er blevet præsenteret i tidsskriftet ACS Nano . De særlige egenskaber ved germanium og brugen af ​​dedikerede program-gate-elektroder gjorde det muligt at skabe en prototype til en ny komponent, der kan indlede en ny æra af chipteknologi.

En ekstra kontrolelektrode ændrer alt

Transistoren er grundlaget for enhver moderne elektronisk enhed:Det er en lillebitte komponent, der enten tillader strøm at flyde eller blokerer strømstrømmen - afhængigt af om der påføres en elektrisk spænding til en kontrolelektrode. Dette gør det muligt at bygge simple logiske kredsløb, men også hukommelseslagring.

Hvordan den elektriske ladning transporteres i transistoren afhænger af det anvendte materiale:Enten er der fritgående elektroner, som bærer en negativ ladning, eller også mangler der en elektron fra de enkelte atomer, så denne plet er positivt ladet. Dette omtales så som "huller" - de kan også flyttes gennem materialet.

I den nye transistor på TU Wien bliver både elektroner og huller manipuleret samtidigt på en meget speciel måde:"Vi forbinder to elektroder med en ekstremt tynd ledning lavet af germanium, som er forbundet til metal på begge sider med en speciel, ekstrem ren grænseflade. Over dette germanium-segment placerer vi en gate-elektrode som dem, der findes i konventionelle transistorer. Det afgørende er, at vores transistor også har en anden styreelektrode, som er placeret på grænsefladerne mellem germanium og metal. Den kan dynamisk programmere funktionen af ​​de transistor," forklarer Dr. Masiar Sistani, som er postdoktor i Prof. Walter Webers team ved Institut for Solid State Electronics ved TU Wien.

Denne konstruktion gør det muligt at styre elektroner og huller separat. "Det faktum, at vi bruger germanium, er en afgørende fordel," siger Masiar Sistani. "Det skyldes, at germanium har en helt speciel elektronisk struktur:Når man sætter spænding på, stiger strømstrømmen i starten, som man kunne forvente. Efter en vis tærskel aftager strømstrømmen dog igen - det kaldes negativ differensmodstand. ved hjælp af styreelektroden kan vi modulere, ved hvilken spænding denne tærskel ligger. Dette resulterer i nye frihedsgrader, som vi kan bruge til at give transistoren præcis de egenskaber, som vi har brug for i øjeblikket."

På denne måde kan for eksempel en NAND-port (en logisk ikke-og-port) omstilles til en NOR-port (en logisk hverken-eller-port). "Indtil nu er elektronikkens intelligens blot kommet fra sammenkoblingen af ​​flere transistorer, som hver især kun havde en ret primitiv funktionalitet. I fremtiden kan denne intelligens overføres til tilpasningsevnen af ​​selve den nye transistor," siger prof. Walter Weber. "Aritmetiske operationer, som tidligere krævede 160 transistorer, er mulige med 24 transistorer på grund af denne øgede tilpasningsevne. På denne måde kan kredsløbenes hastighed og energieffektivitet også øges betydeligt."

Prof. Webers forskergruppe har kun arbejdet på TU Wien i omkring to år. Prof. Walter Weber har skabt sig et internationalt navn med sit arbejde med ny, rekonfigurerbar elektronik. Dr. Masiar Sistani er ekspert inden for germaniumelektronik og har specialiseret sig i at forske i elektroniske transportfænomener. Disse to ekspertiseområder er et perfekt match for at gøre den adaptive germaniumtransistor mulig. "Nogle detaljer mangler stadig at blive optimeret, men med vores første programmerbare germanium-transistor har vi bevist, at den grundlæggende idé virkelig virker. Dette er et afgørende gennembrud for os," siger Masiar Sistani.

Kunstig intelligens

Disse nye muligheder er særligt interessante for anvendelser inden for kunstig intelligens:"Vores menneskelige intelligens er baseret på dynamisk skiftende kredsløb mellem nerveceller. Med nye adaptive transistorer er det nu muligt at ændre kredsløb direkte på chippen på en målrettet måde. " siger Walter Weber. Flerværdilogik kan også implementeres på denne måde - dvs. kredsløb, der ikke kun fungerer med 0 og 1, men med et større antal mulige tilstande.

En hurtig industriel anvendelse af denne nye teknologi er realistisk:de anvendte materialer bruges allerede i halvlederindustrien i dag, og det er ikke nødvendigt med helt nye fremstillingsprocesser. I nogle henseender ville teknologien endda være enklere end før:I dag er halvledermaterialer dopet, det vil sige beriget med individuelle fremmede atomer. Dette er ikke nødvendigt med den germanium-baserede transistor; ren germanium kan bruges.

"Vi ønsker ikke helt at erstatte den tidligere transistorteknologi med vores nye transistor, det ville være formastigt," siger Masiar Sistani. "Den nye teknologi er mere tilbøjelig til at blive inkorporeret i computerchips som en add-on i fremtiden. For visse applikationer vil det simpelthen være mere energieffektivt at stole på adaptive transistorer." + Udforsk yderligere

Ny nanostruktur kan være nøglen til kvanteelektronik