Redox-gating kan føre til nye niveauer af effektivitet i små elektronik

Forbedring af mikroelektronik med Redox-gating

Mikroelektronik som computerchips bruger stadig mindre transistorer, hvilket medfører en stigende sværhedsgrad i at fremstille dem effektivt.

Dette medfører også voksende problemer med strømforbrug og håndtering af den genererede varme.

AI-boomen betyder, at dette strømforbrug kan eksplodere, med forudsigelser om, at AI i 2030 kan udgøre 3 % til 4 % af den globale strøm efterspørgsel. Dette er før en bølge af kvantecomputing, et område vi diskuterede den seneste udvikling i vores artikel “The Current State of Quantum Computing.”

Som følge heraf er nye måder at manipulere elektroner på, også på kvanteniveau, påkrævet.

Derfor er det spændende nyheder, at forskere ved U.S. Department of Energy’s (DOE) Argonne National Laboratory har demonstreret en ny type transistorlignende system, der fungerer med meget lavere spænding, noget der kaldes Redox-gating.

Hvad er Redox-gating?

I deres publikation, “Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control,” forklarer de de grundlæggende principper for Redox-gating og redox-baseret elektronik.

Normalt er siliciumtransistorer afhængige af elektriske felter for at kontrollere strømmen af elektroner, som transistoren bruger til at udføre beregninger.

I stedet bruger redox-gating en lavspændingsstrøm og anvender den på en “elektronport.” Når spændingen overstiger en vis tærskel, åbner porten og lader elektroner passere. Elektronen leveres af et redox-materiale (et molekyle, der kan “afgive” elektroner), deraf navnet “redox-gating”.

Redox-materialet kan cyklisk genbruges uden skade, hvilket muliggør, at en snarere kemisk end elektronisk reaktion kan gentages næsten uendeligt mange gange.

Kilde: Advanced Materials

Forskerne demonstrerede princippet for redox-gating med ikke mindre end 3 forskellige materialer:

• konjugerede poly(ioniske væsker) (PILs)
• metalindeholdende PILs
• simple metalsalte.

De højkapacitets gate-dielektriske materialer blev fremstillet med Wolfram (VI)oxid (WO3) og Vanadium (IV)oxid (VO2).

Forskningsarbejdet blev muligt takket være eksisterende anlæg, der hjælper med at producere materialet og analysere redox-gates som Argonne’s Center for Nanoscale Materials og Argonne’s Advanced Photon Source.

Redox-gating potential

Strømforbrug

Da de testede redox-gates fungerer med en spænding så lav som en halv volt, kan dette bane vejen for mikroelektronik, der forbruger meget lidt strøm og genererer meget lidt varme.

Mere energieffektivitet og reduceret kølebehov kan blive meget vigtigt, da beregningskapacitet og den energi, den bruger, kan blive flaskehalsen for yderligere fremskridt inden for AI.

Alsidigheden af redox-gating mekanismer kan også være “baner vejen for anvendelsen af miljøvenlige materialer og udviklingen af innovative enhedsarkitekturer”.

Kvantcomputing

Kvantcomputing er et fremvoksende felt, der lover at løse problemer, som praktisk talt er umulige at beregne med normale siliciumtransistorer.

Redox-gating kunne også bidrage til fremskridt inden for kvantcomputing. Mere specifikt kunne det hjælpe med at udvikle kvante‑logikporte, der fungerer ved lav effekt.

I betragtning af at kvantecomputere gik fra enkeltcifrede qubits til for nylig at overskride grænsen på tusinder af qubits, kan det være nødvendigt at holde strømforbruget under kontrol for at se feltet blive kommercielt levedygtigt.

Hjerne‑lignende beregninger

Et andet lovende aspekt ved redox-gating er, at den fungerer ved meget lav spænding og tillader finjustering af elektronstrømmen.

Dette er præcis, hvordan menneskelige neuroner behandler og forstærker elektriske signaler. Dermed kunne det i sidste ende muliggøre udviklingen af elektroniske chipdesigns, der fungerer som hjerner.

I betragtning af at hjernen sandsynligvis “beregner” gennem elementer af lavspændings‑analoge beregninger (graduering i stedet for absolut 1 & 0) og potentielt kvantecomputing‑effekter (kvante‑hjerne teorien), kan dette være den (eneste?) måde at skabe AI med menneskelignende evner eller reel bevidsthed.

Konklusion

Redox-gating kan i første omgang synes at være en meget obskur og niche idé inden for mikroelektronik.

Dog viser det, at halvledere og beregning langt fra er begrænset til blot at reducere transistorernes størrelse. Sammen med andre innovationer kan det bane vejen for lavspændings-, lavaffald-varme- og lavtoksicitetschips.

Og de kan endda øge kvantcomputingpotentialet samt blive byggestenene i hjerne‑lignende beregningssystemer i de kommende årtier.