Полупроводниковые устройства следующего поколения могут помочь производителям микросхем создавать более компактные и быстрые электронные устройства с меньшим количеством транзисторов и меньшей сложностью.
Производителям микросхем приходится соблюдать сложный баланс. Потребители хотят более интеллектуальных устройств с более быстрыми функциями искусственного интеллекта, но при этом ожидают, что гаджеты останутся компактными, не будут нагреваться и будут энергоэффективными. Сегодня инженеры размещают в часах, наушниках и компактных датчиках больше вычислительной мощности, чем целые компьютеры десятилетия назад.
Группа исследователей из Южной Кореи считает, что нашла способ снизить это давление. Ученые из POSTECH (Пхоханского университета науки и технологий) разработали полупроводниковое устройство, способное самостоятельно выполнять ряд операций в схемах. Такая конструкция может упростить будущие микросхемы, обеспечивая при этом более высокую скорость обработки данных для электроники, работающей с искусственным интеллектом.
Переосмысление конструкции транзисторов
Проект был направлен на сокращение количества компонентов, необходимых для современных микросхем. В большинстве полупроводниковых систем вычислительные задачи распределяются между множеством транзисторов и схем. По мере совершенствования устройств эта сложность продолжает расти.
Профессор Бён Хун Ли и доктор Чжэ Хён Джун возглавили исследовательскую группу, разработавшую новый подход. Вместо добавления новых компонентов исследователи перепроектировали сам транзистор, чтобы он мог одновременно выполнять несколько функций.
Для создания устройства команда использовала оксид цинка и теллур. Оба материала способны образовывать тонкие полупроводниковые пленки при относительно низких температурах. Эта особенность дает производителям большую гибкость при добавлении дополнительных схем к существующим микросхемам.
Современное производство полупроводников ограничивает воздействие тепла на более поздних этапах изготовления, поскольку чрезмерные температуры могут повредить уже созданные конструкции. Поэтому материалы, работающие при температуре ниже примерно 392 градусов по Фаренгейту, могут стать ценными для упаковки микросхем следующего поколения.
Нарушение нормального потока тока
Транзистор также ведет себя иначе, чем обычные полупроводниковые приборы. В большинстве микросхем электрический ток неуклонно возрастает с повышением напряжения. Устройство POSTECH не следует этой закономерности.
Исследователи модифицировали транзистор таким образом, чтобы он создавал отрицательную дифференциальную крутизну характеристики (NDT). В этом состоянии ток временно падает, даже когда напряжение продолжает расти. Затем команда добилась эффекта двойного NDT, при котором падение тока происходит дважды внутри одного и того же устройства.
Такое необычное поведение обеспечивает транзистору большую гибкость в обработке сигнала. Эффект зависит от степени перекрытия слоев оксида цинка и теллура внутри структуры.
Меньшее перекрытие приводит к одному токовому переходу. Большее перекрытие создает одновременно как боковое, так и вертикальное движение тока. Это взаимодействие генерирует два пика тока и позволяет транзистору самостоятельно выполнять более сложные схемные функции.
Меньшие по размеру чипы, более высокая скорость.
Для демонстрации конструкции исследователи создали устройство для увеличения частоты в четыре раза. Схема преобразует один входящий сигнал в четыре выходных сигнала. Традиционные полупроводниковые схемы обычно требуют нескольких транзисторов для выполнения этой операции.
Разработанная компанией POSTECH схема выполнила задачу, используя всего один транзистор. Исследователи заявили, что такой подход позволил сократить количество транзисторов на 75%. Тестирование схемы также показало четырехкратное увеличение скорости обработки данных за один сигнальный цикл.
Исследователи считают, что эта технология может помочь в разработке компактного оборудования для искусственного интеллекта, носимой электроники и плотно упакованных трехмерных чиповых систем.
«Это исследование демонстрирует возможность реализации сложных схемных функций на уровне отдельного устройства», — сказал Ли.
Исследование финансировалось Министерством науки и информационно-коммуникационных технологий Южной Кореи и Национальным исследовательским фондом Кореи. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Sourse: interestingengineering.com
