Redox‑Gating könnte zu neuen Effizienzniveaus in winziger Elektronik führen

Verbesserung der Mikroelektronik mit Redox‑Gating

Microelectronics like computer chips use increasingly small transistors, resulting in a growing difficulty in manufacturing them efficiently.

Mikroelektronik wie Computerchips verwendet immer kleinere Transistoren, was zu zunehmenden Schwierigkeiten bei ihrer effizienten Herstellung führt.

Dies führt zudem zu wachsenden Problemen beim Stromverbrauch und der Wärmeabfuhr.

Der Boom der KI bedeutet, dass dieser Stromverbrauch explodieren könnte, mit Prognosen, dass KI bis 2030 3 % bis 4 % der globalen Stromnachfrage ausmachen könnte. Das ist noch vor einem Boom im Quantencomputing, einem Bereich, über den wir den neuesten Fortschritt in unserem Artikel “The Current State of Quantum Computing” diskutierten.

Infolgedessen sind neuartige Methoden zur Manipulation von Elektronen, auch auf Quantenebene, erforderlich.

Daher ist es spannende Neuigkeit, dass Forscher des U.S. Department of Energy (DOE) Argonne National Laboratory ein neues transistorähnliches System demonstriert haben, das mit deutlich geringerer Spannung arbeitet, etwas, das als Redox‑Gating bezeichnet wird.

Was ist Redox‑Gating?

In ihrer Veröffentlichung, “Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control,” erklären sie die Grundprinzipien des Redox‑Gating und der redoxbasierten Elektronik.

Normalerweise verlassen sich Siliziumtransistoren auf elektrische Felder, um den Elektronenfluss zu steuern, den der Transistor für die Berechnung nutzt.

Stattdessen verwendet Redox‑Gating einen Niederspannungsstrom und wendet ihn auf ein „Elektronengate“ an. Wenn die Spannung einen bestimmten Schwellenwert überschreitet, öffnet sich das Gate und lässt Elektronen passieren. Das Elektron wird von einem Redox‑Material bereitgestellt (ein Molekül, das Elektronen „abgeben“ kann), daher der Name „Redox‑Gating“.

Das Redox‑Material kann ohne Beschädigung wieder zurückgeführt werden, wodurch eine eher chemische als elektronische Reaktion nahezu unendlich oft wiederholt werden kann.

Quelle: Advanced Materials

Die Forscher demonstrierten das Prinzip des Redox‑Gating mit nicht weniger als 3 verschiedenen Materialien:

• konjugierte Poly(ionische Flüssigkeiten) (PILs)
• metallhaltige PILs
• einfache Metallsalze.

Die hochkapazitiven Gate‑Dielektrika wurden aus Wolfram(VI)-oxid (WO3) und Vanadium(IV)-oxid (VO2) hergestellt.

Die Forschungsarbeit wurde dank bereits bestehender Einrichtungen ermöglicht, die bei der Herstellung des Materials und der Analyse der Redox‑Gates unterstützen, wie das Argonne’s Center for Nanoscale Materials und die Argonne’s Advanced Photon Source.

Potential des Redox‑Gating

Stromverbrauch

Da die getesteten Redox‑Gates mit einer Spannung von nur einem halben Volt arbeiten, könnte dies den Weg für Mikroelektronik ebnen, die sehr wenig Strom verbraucht und kaum Wärme erzeugt.

Eine höhere Energieeffizienz und ein geringerer Kühlungsbedarf könnten sehr wichtig werden, da die Rechenkapazität und der dafür benötigte Energieverbrauch zum Engpass für den weiteren Fortschritt der KI werden könnten.

Die Vielseitigkeit der Redox‑Gating‑Mechanismen könnte zudem „den Weg für die Einführung umweltfreundlicher Materialien und die Entwicklung innovativer Gerätearchitekturen ebnen“.

Quantencomputing

Quantencomputing ist ein aufstrebendes Feld, das verspricht, Probleme zu lösen, die mit herkömmlichen Siliziumtransistoren praktisch unmöglich zu berechnen sind.

Redox‑Gating könnte auch zum Fortschritt des Quantencomputings beitragen. Genauer gesagt könnte es helfen, Quantenlogikgatter zu entwickeln, die mit geringem Stromverbrauch arbeiten.

Angesichts dessen, dass Quantencomputer von einstelligen Qubits zu kürzlich die Schwelle von tausenden Qubits überschritten sind, könnte es erforderlich sein, den Stromverbrauch zu kontrollieren, um das Feld kommerziell nutzbar zu machen.

Gehirnähnliche Berechnungen

Ein weiterer vielversprechender Aspekt des Redox‑Gatings ist, dass es bei sehr niedriger Spannung arbeitet und eine feine Abstimmung des Elektronenflusses ermöglicht.

Genau so verarbeiten und verstärken menschliche Neuronen elektrische Signale. Daher könnte es letztlich die Entwicklung von elektronischen Chipdesigns ermöglichen, die wie Gehirne funktionieren.

Angesichts dessen, dass das Gehirn wahrscheinlich durch Elemente von nieder­spannungs‑analogen Berechnungen (Graduierung statt absoluter 1 & 0) und möglicherweise Quanten‑Computing‑Effekte (die Quanten‑Geist‑Theorie) „rechnet“, könnte dies der (einzige?) Weg sein, KI mit menschenähnlichen Fähigkeiten oder echter Bewusstheit zu schaffen.

Fazit

Redox‑Gating mag zunächst wie eine sehr obskure und nischige Idee in der Mikroelektronik erscheinen.

Dennoch zeigt es, dass Halbleiter und Computing weit davon entfernt sind, nur auf die Verkleinerung von Transistoren beschränkt zu sein. Zusammen mit anderen Innovationen könnte es den Weg für Chips mit niedriger Spannung, geringer Abwärme und geringer Toxizität ebnen.

Und sie könnten sogar das Potenzial des Quantencomputings steigern und zugleich die Bausteine für gehirnähnliche Rechensysteme in den kommenden Jahrzehnten bilden.