Полупроводниковые устройства следующего поколения открывают перед производителями микросхем возможность выпускать более компактную и быстродействующую электронику, уменьшая при этом количество транзисторов и общую сложность конструкций.
Ирина Петрова
Полупроводниковые чипы, разработанные вьетнамскими университетами (репрезентативное изображение). Источник: Ministry of Science and Technology (Vietnam)
Изготовители чипов постоянно находятся в поиске компромиссов. Пользователи ожидают, что их устройства станут умнее и быстрее реагировать на команды, связанные с искусственным интеллектом, но при этом гаджеты должны оставаться небольшими, не перегреваться и потреблять мало энергии.
Сегодня инженеры размещают в часах, наушниках и миниатюрных датчиках больше вычислительной мощности, чем имелось в компьютерах всего несколько десятилетий назад.
Научная группа из Южной Кореи полагает, что ей удалось найти решение этой проблемы. Исследователи из POSTECH, также известного как Похангский университет науки и технологии, представили полупроводниковое устройство, которое способно самостоятельно выполнять несколько операций.
Подобная конструкция способна упростить будущие микросхемы и ускорить обработку данных в электронике, работающей на базе искусственного интеллекта.
Новый взгляд на устройство транзисторов
Целью проекта было сокращение числа компонентов, которые требуются современным микросхемам.
В большинстве полупроводниковых систем вычислительные задачи распределяются между большим количеством транзисторов и цепей. По мере того как устройства становятся более совершенными, их сложность продолжает возрастать.
Профессор Бен Хун Ли и доктор Чжэ Хен Чжун возглавили группу исследователей, которые разработали инновационный подход. Вместо того чтобы добавлять новые элементы, ученые переработали сам транзистор, позволив ему выполнять сразу несколько функций.
Для создания устройства команда применила оксид цинка и теллур. Оба материала способны формировать тонкие полупроводниковые пленки при относительно невысоких температурах. Это свойство предоставляет производителям больше свободы при размещении дополнительных цепей на уже существующих чипах.
Современное производство полупроводников накладывает ограничения на тепловое воздействие на поздних этапах, так как высокая температура может повредить ранее созданные структуры.
Материалы, которые работают при температуре ниже 392 градусов по Фаренгейту, могут оказаться востребованными для упаковки микросхем нового поколения.
Нарушение обычного течения тока
Данный транзистор ведет себя не так, как стандартные полупроводниковые устройства. В большинстве микросхем электрический ток плавно растет по мере увеличения напряжения. Устройство из POSTECH функционирует иначе.
Исследователи спроектировали транзистор таким образом, чтобы добиться эффекта отрицательной дифференциальной крутизны, известного как NDT. В этом состоянии ток временно снижается, даже если напряжение продолжает повышаться. Затем команда реализовала эффект двойного NDT, при котором падение тока происходит дважды в пределах одного устройства.
Такое необычное поведение дает транзистору больше возможностей для обработки сигналов. Этот эффект зависит от того, насколько перекрываются слои оксида цинка и теллура внутри структуры.
При небольшом перекрытии возникает один переход тока. При увеличении перекрытия ток движется одновременно в горизонтальном и вертикальном направлениях. Такое взаимодействие порождает два пика тока и позволяет транзистору самостоятельно выполнять более сложные задачи.
Меньше чипов — выше скорость
Чтобы продемонстрировать свою разработку, исследователи собрали квадруплер частоты. Эта схема преобразует один входящий сигнал в четыре выходных.
В традиционных полупроводниковых системах для выполнения такой операции обычно требуется несколько транзисторов.
В конструкции из POSTECH эту задачу решили с помощью одного транзистора. По словам исследователей, такой подход позволил снизить потребность в транзисторах на 75%.
Тестирование схемы также показало, что скорость обработки данных выросла в четыре раза за один цикл передачи сигнала. Результаты исследования опубликованы в Advanced Functional Materials.
Отраслевые эксперты уже отмечают, что снижение числа транзисторов на 75% при сохранении или даже повышении функциональности способно кардинально изменить подход к проектированию систем на кристалле.
Сегодня производители тратят огромные ресурсы на миниатюризацию традиционных транзисторов, приближаясь к физическим пределам кремния. Если же удастся заменить три из четырёх транзисторов одним новым, то требования к литографии и чистоте материалов станут менее жёсткими, а значит — снизится себестоимость чипов.
Для носимой электроники, где каждый миллиметр площади и каждый милливатт энергии на счету, это открывает дорогу к созданию устройств, способных автономно обрабатывать голосовые команды, анализировать биометрические данные и даже запускать небольшие нейросети прямо на корпусе часов или в наушниках.
Ученые считают, что эта технология может быть полезна для создания компактного оборудования для искусственного интеллекта, носимой электроники и плотно упакованных трехмерных чиповых систем.
«Наше исследование демонстрирует, что можно реализовать сложные функции схемы на уровне одного устройства», — отметил Ли.
Наконец, корейские исследователи подчёркивают, что их работа — это лишь первый этап. Сейчас они изучают возможность комбинировать оксид цинка с другими халькогенидными материалами, чтобы получить ещё большее количество пиков тока в одном транзисторе.
Если удастся реализовать тройной или четверной эффект NDT, то один элемент сможет выполнять операции, для которых сегодня требуется целый блок из десятков традиционных транзисторов. Это приблизит эпоху, когда сложность схемы будет определяться не количеством крошечных переключателей, а архитектурой самого материала.
И тогда ограничением станет уже не физика кремния, а фантазия инженеров, проектирующих электронику следующего поколения.
Переход к практике
Следующий шаг, который предстоит сделать команде POSTECH, — перенос лабораторного прототипа в реальные производственные условия.
Хотя оксид цинка и теллур хорошо работают при низких температурах, их поведение в составе сложных многослойных чипов, выпускаемых серийно, пока изучено не полностью.
Инженерам предстоит проверить, насколько стабильны характеристики нового транзистора при массовом изготовлении, не возникают ли дефекты на границах слоёв и как долго устройство сохраняет свои свойства при ежедневной эксплуатации.
Кроме того, необходимо разработать стандартные библиотеки логических элементов, использующих эффект двойного NDT, чтобы проектировщики микросхем могли легко встраивать такие транзисторы в свои разработки без ручной настройки каждого узла.
Особый интерес представляет совместимость новой технологии с существующими производственными линиями. Поскольку большинство фабрик по выпуску полупроводников ориентированы на кремний, любые новые материалы требуют адаптации оборудования.
Однако низкотемпературный синтез оксида цинка и теллура открывает возможность наносить активные слои поверх уже готовых кремниевых схем, не разрушая их. Это означает, что трёхмерная интеграция — размещение вычислительных блоков друг над другом — может стать значительно проще и дешевле.
В перспективе такие гетерогенные чипы объединят быстродействие кремниевых процессоров с гибкостью новых транзисторов, позволяя создавать устройства, где одна часть кристалла отвечает за сложные расчёты, а другая — за энергоэффективное выполнение повторяющихся операций ИИ.
О достижениях современной электроники читайте в нашем журнале — транзистор меньше молекулы ДНК открывает путь к электронной имитации человеческого мозга. А вот еще интересная новость из области микроминиатюризации устройств: низковольтный насос весом 0,2 грамма на основе жидкого металла становится сердцем мягких съедобных роботов.
Что касается бытовой электроники в России, то мы сообщали, что 27 мая в России вступил в силу обновленный перечень товаров, разрешенных к ввозу в РФ через параллельный импорт. Из него исчез целый ряд позиций, включая определенные марки парфюма, ноутбуков, компьютеров и серверов, к которым миллионы российских покупателей привыкали последние 40 лет.