Redox Gating voi johtaa uusiin tehokkuustasoihin pienelektroniikassa

Mikroelektroniikan parantaminen Redox Gatingilla

Mikroelektroniikassa, kuten tietokonepiireissä, käytetään yhä pienempiä transistoreita, mikä johtaa kasvavaan vaikeuteen valmistaa niitä tehokkaasti.

Tämä aiheuttaa myös kasvavia ongelmia energiankulutuksen ja syntyvän lämmön hallinnan kanssa.

Tekoälyn räjähdysmäinen kasvu tarkoittaa, että tämä energiankulutus saattaa räjähtää, ennusteiden mukaan vuoteen 2030 mennessä tekoäly voisi vastata 3% to 4% maailmanlaajuisesta energiankulutuksesta. Tämä tapahtuu ennen kvanttilaskennan kasvua, alaa, jonka viimeisimmän kehityksen käsittelimme artikkelissamme “The Current State of Quantum Computing.”

Tämän seurauksena tarvitaan uusia tapoja manipuloida elektroneja, myös kvanttitasolla.

Siksi on innostavaa uutinen, että Yhdysvaltain energiaministeriön (DOE) Argonne National Laboratoryn tutkijat ovat osoittaneet uudenlaiset transistoria muistuttavan järjestelmän, joka toimii paljon alhaisemmalla jännitteellä, jotain nimeltä Redox Gating.

Mitä on Redox Gating?

Julkaisussaan “Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control” he selittävät Redox Gatingin ja redoksipohjaisen elektroniikan perusperiaatteet.

Normaalisti piisiristot perustuvat sähköisiin kenttiin ohjaamaan transistorin käyttämien elektronien virtausta laskentaa varten.

Sen sijaan redox-värähtely käyttää matalajännitteistä virtaa ja soveltaa sitä “elektronigatesiin”. Kun jännite ylittää tietyn kynnyksen, portti avautuu ja sallii elektronien kulkea. Elektroni saadaan redoksimateriaalista (molekyylistä, joka pystyy “luovuttamaan” elektroneja), mistä nimi “redox gating” johtuu.

Redoksimateriaalia voidaan kierrättää takaisin ilman vaurioita, mikä mahdollistaa lähes äärettömän monta kertaa toistettavan, enemmän kemiallisena kuin elektronisena reaktion.

Lähde: Advanced Materials

Tutkijat osoittivat redox-värähtelyn periaatteen vähintään kolmella eri materiaalilla:

• konjugoidut poly(ioniset nesteet) (PILs)
• metallipitoiset PILs
• yksinkertaiset metallisuolat.

Korkean kapasitanssin portti-dielektrit valmistettiin tungstenioksidilla (VI) (WO3) ja vanadiinioksidilla (IV) (VO2).

Tutkimustyö oli mahdollinen olemassa olevien laitosten ansiosta, jotka auttoivat materiaalin tuotannossa ja redoks-porttien analysoinnissa, kuten Argonnen nanoskaalan materiaalikeskus ja Argonnen Advanced Photon Source.

Redox Gatingin potentiaali

Energiankulutus

Koska testatut redoks-portit toimivat jopa puolen voltin jännitteellä, tämä voi avata tien mikroelektroniikalle, joka kuluttaa hyvin vähän energiaa ja tuottaa hyvin vähän lämpöä.

Lisääntynyt energiatehokkuus ja vähentyneet jäähdytystarpeet saattavat tulla erittäin tärkeiksi, kun laskentateho ja sen kuluttama energia voivat muodostua pullonkaulaksi tekoälyn jatkokehityksessä.

Redox-värähtelyn mekanismien monipuolisuus voisi myös olla “raivaa tietä ympäristöystävällisten materiaalien omaksumiselle ja innovatiivisten laitearkkitehtuurien kehittämiselle”.

Kvanttilaskenta

Kvanttilaskenta on nouseva ala, joka lupaa ratkaista ongelmia, jotka ovat käytännössä mahdottomia ratkaista tavallisilla piisiristoilla.

Redox Gating voisi myös edistää kvanttilaskennan kehitystä. Tarkemmin sanottuna se voisi auttaa kehittämään kvanttilogiikkaportteja, jotka toimivat alhaisella teholla.

Kun otetaan huomioon, että kvanttitietokoneet ovat siirtyneet yksinumeroisista kubiteista äskettäin ylittäen tuhannen kubitin rajan, energian kulutuksen hallinta saattaa olla välttämätöntä, jotta ala voisi tulla kaupallisesti kannattavaksi.

Aivojen kaltaiset laskelmat

Toinen lupaava redox-värähtelyn näkökohta on, että se toimii erittäin alhaisella jännitteellä ja mahdollistaa elektronivirran hienosäätämisen.

Tämä on juuri se tapa, jolla ihmisen neuronit käsittelevät ja vahvistavat sähköisiä signaaleja. Näin ollen se voisi lopulta mahdollistaa elektronisten piirisovellusten kehittämisen, jotka toimivat kuin aivot.

Kun otetaan huomioon, että aivot todennäköisesti “laskentelevat” matalan jännitteen analogisilla laskelmilla (asteittain eikä absoluuttisilla 1 & 0) ja mahdollisesti kvanttilaskennan vaikutuksilla (kvanttinen mieliteoria), tämä saattaa olla (ainoa?) tapa luoda tekoäly, jolla on ihmisen kaltaisia kykyjä tai todellinen tietoisuus.

Yhteenveto

Redox Gating saattaa aluksi vaikuttaa hyvin epäselvältä ja kapealta idealta mikroelektroniikassa.

Kuitenkin se osoittaa, että puolijohteet ja laskenta eivät ole rajoittuneet pelkästään transistorien koon pienentämiseen. Yhdessä muiden innovaatioiden kanssa se voi avata tien matalajännitteisille, vähälämpöä tuottaville ja vähämyrkyllisille siruille.

Ne saattavat jopa tehostaa kvanttilaskennan potentiaalia sekä toimia aivojen kaltaisten laskentajärjestelmien rakennuspalikoina tulevina vuosikymmeninä.