Транзистор без электронов сделает компьютеры в 1000 раз быстрее

6 часов назад 3

По оценкам экспертов, примерно к 2037 году традиционные транзисторы достигнут предела своей энергетической эффективности, однако это не значит, что спрос на вычислительную мощность прекратит расти. Новые, экспериментальные устройства, сочетающие сегнетоэлектрические и ферромагнитные материалы, могут сделать компьютеры в 100–1000 раз быстрее и энергоэффективнее. Одну из таких альтернатив транзистору — устройство, работающее на базе магнитно-акустических волн, — предложили исследователи из США.

Самые интересные технологические и научные новости выходят в нашем телеграм-канале Хайтек+. Подпишитесь, чтобы быть в курсе.

Сегодня рост энергоэффективности компьютеров в основном достигается за счет более плотного размещения компонентов микросхемы или уменьшения размеров транзисторов: чем меньшее расстояние проходят электроны, тем меньше энергии преобразуется в тепло и теряется впустую. Кроме того, для переключения транзисторов меньшего размера требуется более низкое напряжение; однако, когда размеры транзисторов сокращаются до нескольких нанометров, возникает эффект квантового туннелирования: электроны начинают просачиваться сквозь барьеры даже в выключенном состоянии, что приводит к потере энергии.

Команда специалистов из Мичиганского университета и Университета Висконсина решила фундаментально изменить физику транзистора, пишет EurekAlert.

Они разработали M3BOLT, транзистор, который использует вместо движения электронов магнитные и звуковые волны. По их оценкам, новый подход может повысить эффективность устройства в тысячу и более раз.

M3BOLT состоит из нескольких слоев. Нижний — кристалл PMN-NT (ниобат-магний-свинец-титанат свинца). Поверх него нанесена пленка из магнитного сплава железа и галлия. Материал PMN-PT — сегнетоэлектрик: его заряженные элементы естественным образом ориентированы в определенном направлении. Под воздействием электрического поля эта ориентация может меняться, причем новое положение сохраняется даже после того, как электрическое поле будет отключено.

Смещение атомов в материале PMN-PT при переключении электрического поля вызывает волнообразные колебания магнитных полюсов в железо-галлиевом сплаве — такие волны называются магнонами. Эти магнитные волны распространяются в железо-галлиевой пленке с минимальным сопротивлением, благодаря чему потери энергии в виде тепла оказываются значительно ниже, чем в традиционных материалах. А поскольку магноны могут перемещаться с терагерцевыми частотами, они способны обеспечить обработку данных в сотни раз быстрее, чем современные потребительские процессоры, работающие на гигагерцевых частотах.

Магноны можно остановить, изменив ориентацию магнитных полюсов внутри железо-галлиевого сплава. В этом случае колебания полюсов прекращаются, и волны превращаются в обычные звуковые волны. Эти два состояния — наличие или отсутствие магнитных волн — могут служить аналогами логических единиц и нулей обычных транзисторов.

Поскольку ориентация магнитных полюсов в железо-галлиевой пленке сохраняется даже после отключения питания устройства, этот же материал можно использовать в качестве компьютерной памяти, экономя энергию и пространство процессора.

«Пока мы создаем устройства для приложений со сверхнизким энергопотреблением, — сказал Вэй Лу, возглавляющий разработку M3BOLT. — Но представьте, что однажды мы сможем построить на них суперкомпьютеры. Возможно, тогда нам не понадобится атомная электростанция, чтобы питать большой дата-центр».

Исследователи из Тайваня решили одну из ключевых проблем создания транзисторов атомарных размеров. Они разработали сверхтонкий промежуточный слой для транзисторов на основе дисульфида молибдена, который помогает равномерно наносить затворный изолятор и одновременно защищает поток электронов в полупроводниковом канале.

Источник