Австрийские исследователи модернизировали современный полевой транзистор, добавив к нему управляющий электрод и германиевую прослойку. Такая модификация позволяет в реальном времени менять параметры полупроводникового элемента в зависимости от текущих потребностей. Ученые говорят, что для выполнения некоторых арифметических операций новых транзисторов требуется до 85% меньше, чем используется в схемах на базе традиционных полевых транзисторов, реализующих эти операции. По их мнению, внедрение технологии не приведет к вытеснению классических кремниевых микросхем, а позволит улучшить их за счет дополнительных вычислительных блоков, которые окажутся востребованы, в первую очередь, в сфере искусственного интеллекта.
Венские адаптивные тразисторы
Исследователи из Венского технического университета разработали транзистор, который способен менять свои параметры «на лету», в соответствии с решаемой в конкретный момент времени задачей.
Как отмечает Tom’s Hardware, потенциал у технологии по истине огромный. К примеру, микросхема, построенная с ее применением может нести до 85% меньше транзисторов, при этом выполняя все те же функции, что созданная с использованием классического подхода. Это позволяет уменьшить итоговый размер микросхемы, снизить энергопотребление и тепловыделение, что, в свою очередь, дает обширные возможности в области повышения ее производительности.
Как работает полевой транзистор
Транзисторы в целом и полевые в частности (Field Effect Transistors, FET) лежат в основе любой современной полупроводниковой микросхемы. Такой транзистор имеет три контакта: сток (drain), затвор (gate) и исток (source). Исток и сток образуют токопроводящий канал. На исток подается высокое напряжение, на затвор – низкое (управляющее). В зависимости от уровня напряжения на затворе электрический ток либо проходит от истока к стоку (затвор открыт), либо нет (затвор закрыт).
Таким образом, транзистор можно использоваться в качестве «ключа» или, к примеру, элементарной двоичной ячейки памяти. При помощи соединения групп транзисторов и других электронных компонентов между собой можно получить логические элементы, выполняющие простейшие операции двоичной логики.
Всего лишь один дополнительный электрод
Специалисты из Австрии предложили соединить два электрода (сток и исток) между собой при помощи тончайшей германиевой нити, а над ней расположить алюминиевый электрод затвора, подобно тому, как это сделано в традиционном полевом транзисторе. Кроме того, ученые добавили управляющий электрод, который расположили на границе раздела между германиевым и металлическим слоями. Именно управляющий электрод позволяет «программировать» транзистор.
Адаптивность нового германиевого транзистора обусловлена электрическими свойствами данного материала. Как объясняет Масиар Систани (Masiar Sistani), один участников исследовательской группы, при подаче напряжения на германиевую структуру сила тока возрастает, пока не достигнет определенного порога. После перехода этого порога ток вновь начинает уменьшается. Этот эффект носит название отрицательного дифференциального сопротивления (negative differential resistance).
Дополнительный управляющий электрод позволяет регулировать этот порог, то есть устанавливать уровень напряжения, при котором происходит открытие/закрытие транзистора. Таким образом, транзистор такой конструкции может находиться в более чем двух фиксированных состояниях «включено» и «выключено».
«Арифметические операции, для которых ранее требовалось 160 транзисторов, теперь возможны с 24 транзисторами. Таким образом, скорость и энергоэффективность схем также могут быть значительно увеличены», – поясняет профессор Вальтер Вебер (Walter Weber), возглавляющий исследовательскую группу.
Не замена полупроводникам на основе кремния
По словам Масиара Систани, разработка его команды не претендует на замену «хорошо себя зарекомендовавшей технологии транзисторов на основе кремния». Ученый предполагает, что в будущем на базе германиевых транзисторов будут строить блоки-дополнения для классических интегральных схем, которые решают более специфические задачи. Так, исследователи предполагают, что их технология найдет применение в сфере искусственного интеллекта.
Как отмечает издание SciTechDaily, быстрое промышленное внедрение новой технологии представляется реалистичным. Задействованные учеными материалы и так применяются при производстве полупроводниковых изделий, проработка принципиально новых производственных процессов также не потребуется.
В середине декабря 2021 г. CNews писал о том, что Samsung и IBM создали технологию вертикального расположения транзисторов VTFET, способную резко увеличить производительность и энергоэффективность будущих процессоров, а также преодолеть порог в 1 нм. По сравнению с современными чипами FinFET потребление энергии чипами VTFET ниже на 85%, а производительность выше вдвое.
