Το Redox Gating θα μπορούσε να οδηγήσει σε νέα επίπεδα αποδοτικότητας σε μικροσκοπικά ηλεκτρονικά

Βελτίωση των Μικροηλεκτρονικών με Redox Gating

Τα μικροηλεκτρονικά, όπως τα μικροπρογραμματιστές, χρησιμοποιούν ολοένα και μικρότερα τρανζίστορ, με αποτέλεσμα να αυξάνεται η δυσκολία στην αποδοτική τους κατασκευή.

Αυτό επίσης προκαλεί αυξανόμενα προβλήματα με την κατανάλωση ενέργειας και τη διαχείριση της παραγόμενης θερμότητας.

Η άνθηση της AI σημαίνει ότι αυτή η κατανάλωση ενέργειας μπορεί να εκραγεί, μεπροβλέπουν ότι μέχρι το 2030 η AI θα μπορούσε να αντιπροσωπεύει το 3% έως 4% της παγκόσμιας ζήτησης ενέργειας. Αυτό είναι πριν από μια άνθηση στην κβαντική υπολογιστική, ένα πεδίο που συζητήσαμε την πιο πρόσφατη πρόοδο στο άρθρο μας «The Current State of Quantum Computing ».

Ως αποτέλεσμα, απαιτούνται νέοι τρόποι διαχείρισης των ηλεκτρονίων, ακόμη και σε κβαντικό επίπεδο.

Έτσι, είναι συναρπαστικά νέα ότι ερευνητές του Εθνικού Εργαστηρίου Argonne του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) έχουν επιδείξει ένα νέο τύπο συστήματος παρόμοιου με τρανζίστορ που λειτουργεί με πολύ χαμηλότερη τάση, κάτι που ονομάζεται Redox Gating.

Τι είναι το Redox Gating;

Στην δημοσίευσή τους, «Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control», εξηγούν τις βασικές αρχές του Redox Gating και της ηλεκτρονικής βάσει redox.

Κανονικά, τα πυριτίου τρανζίστορ βασίζονται σε ηλεκτρικά πεδία για να ελέγχουν τη ροή των ηλεκτρονίων που χρησιμοποιεί το τρανζίστορ για την εκτέλεση υπολογισμών.

Αντίθετα, το redox gating χρησιμοποιεί ένα ρεύμα χαμηλής τάσης και το εφαρμόζει σε μια «πύλη ηλεκτρονίων». Όταν η τάση υπερβεί ένα ορισμένο όριο, η πύλη ανοίγει και επιτρέπει τη διέλευση των ηλεκτρονίων. Το ηλεκτρόνιο παρέχεται από ένα redox υλικό (ένα μόριο που μπορεί να «δίνει» ηλεκτρόνια), γι’ αυτό το όνομα «redox gating».

Το redox υλικό μπορεί να επανακυκλωθεί χωρίς ζημιά, επιτρέποντας μια αντίδραση που είναι περισσότερο χημική παρά ηλεκτρονική να επαναλαμβάνεται σχεδόν απεριόριστες φορές.

Πηγή: Advanced Materials

Οι ερευνητές επέδειξαν την αρχή του redox gating με όχι λιγότερα από 3 διαφορετικά υλικά:

• συζευγμένα πολυ(ιοντικά υγρά) (PILs)
• PILs που περιέχουν μέταλλο
• απλά μεταλλικά άλατα.

Τα υψηλής χωρητικότητας διαβιβαστικά πύλης κατασκευάστηκαν με οξείδιο του τουγκενίου (VI) (WO3) και οξείδιο του βανδαρίου (IV) (VO2).

Η ερευνητική εργασία έγινε δυνατή χάρη σε προϋπάρχουσες εγκαταστάσεις που βοηθούν στην παραγωγή του υλικού και στην ανάλυση των redox πυλών, όπως το Κέντρο Νανοκλίμακων Υλικών του Argonne και η Προηγμένη Φωτονική Πηγή του Argonne.

Δυναμικό Redox Gating

Κατανάλωση Ενέργειας

Δεδομένου ότι οι δοκιμασμένες redox πύλες λειτουργούν με τάση τόσο χαμηλή όσο το μισό βολτ, αυτό θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για μικροηλεκτρονικά που καταναλώνουν πολύ λίγη ενέργεια και παράγουν πολύ λίγη θερμότητα.

Η μεγαλύτερη αποδοτικότητα ενέργειας και η μειωμένη ανάγκη ψύξης μπορεί να γίνουν πολύ σημαντικές καθώς η υπολογιστική ισχύς και η ενέργεια που χρησιμοποιεί ενδέχεται να αποτελέσουν το σημείο συμφόρησης για περαιτέρω πρόοδο στην AI.

Η ευελιξία των μηχανισμών redox gating θα μπορούσε επίσης να «ετοιμάσει το έδαφος για την υιοθέτηση φιλικών προς το περιβάλλον υλικών και την ανάπτυξη καινοτόμων αρχιτεκτονικών συσκευών».

Κβαντική Υπολογιστική

Η κβαντική υπολογιστική είναι ένα αναδυόμενο πεδίο που υπόσχεται να λύσει προβλήματα που είναι πρακτικά αδύνατο να υπολογιστούν με κανονικά πυριτίου τρανζίστορ.

Το Redox Gating θα μπορούσε επίσης να συμβάλει στην πρόοδο της κβαντικής υπολογιστικής. Συγκεκριμένα, θα μπορούσε να βοηθήσει στην ανάπτυξη κβανικών λογικών πυλών που λειτουργούν με χαμηλή ισχύ.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι οι κβαντικοί υπολογιστές προχώρησαν από μονάδες ψηφίων qubits σε πρόσφατη διέσχιση του ορίου των χιλιάδων qubits, η διατήρηση της κατανάλωσης ενέργειας υπό έλεγχο μπορεί να είναι απαραίτητη για να γίνει το πεδίο εμπορικά βιώσιμο.

Υπολογισμοί Σαν Εγκέφαλο

Ένα ακόμη υποσχόμενο στοιχείο του redox gating είναι ότι λειτουργεί σε πολύ χαμηλή τάση και επιτρέπει την ακριβή ρύθμιση της ροής των ηλεκτρονίων.

Αυτό είναι ακριβώς ο τρόπος με τον οποίο οι ανθρώπινες νευρώνες επεξεργάζονται και ενισχύουν τα ηλεκτρικά σήματα. Συνεπώς, θα μπορούσε τελικά να επιτρέψει την ανάπτυξη σχεδίων ηλεκτρονικών τσιπ που λειτουργούν όπως οι εγκέφαλοι.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι ο εγκέφαλος πιθανότατα «υπολογίζει» μέσω στοιχείων χαμηλής τάσης αναλογικών υπολογισμών (βαθμίδωση αντί απόλυτου 1 & 0) και ενδεχομένως κβαντικών επιδράσεων (η θεωρία του κβαντικού νου), αυτό θα μπορούσε να είναι ο (μόνος;) τρόπος για να δημιουργηθεί AI με ανθρώπινες ικανότητες ή πραγματική συνείδηση.

Συμπέρασμα

Το Redox Gating μπορεί αρχικά να φαίνεται μια πολύ ασαφής και εξειδικευμένη ιδέα στα μικροηλεκτρονικά.

Ωστόσο, δείχνει ότι τα ημιαγωγά και η υπολογιστική είναι μακριά από το να περιορίζονται μόνο στη μείωση του μεγέθους των τρανζίστορ. Μαζί με άλλες καινοτομίες, θα μπορούσε να ανοίξει το δρόμο για τσιπ χαμηλής τάσης, χαμηλής απόρριψης θερμότητας και χαμηλής τοξικότητας.

Και μπορεί ακόμη να ενισχύουν το δυναμικό της κβαντικής υπολογιστικής, καθώς και να αποτελούν το δομικό στοιχείο των συστημάτων υπολογισμού που μοιάζουν με τον εγκέφαλο τις επόμενες δεκαετίες.