Le redox gating pourrait conduire à de nouveaux niveaux d’efficacité dans les micro‑électroniques

Améliorer la microélectronique grâce au redox gating

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

Les microélectroniques, comme les puces informatiques, utilisent des transistors de plus en plus petits, ce qui rend leur fabrication efficace de plus en plus difficile.

This also causes growing issues with power consumption and managing the heat generated.

Le boom de l’IA signifie que cette consommation d’énergie pourrait exploser, avec prévisions selon lesquelles, d’ici 2030, l’IA pourrait représenter de 3 % à 4 % de la demande énergétique mondiale. This is before a boom in quantum computing, a field we discussed the most recent progress in our article “The Current State of Quantum Computing.”

As a result, novel ways to manipulate electrons, including at the quantum level, are required.

En conséquence, de nouvelles méthodes pour manipuler les électrons, y compris au niveau quantique, sont nécessaires.

So, it is exciting news that researchers at the U.S. Department of Energy’s (DOE) Argonne National Laboratory have demonstrated a new type of transistor-like system that operates with much lower voltage, something called Redox Gating.

Qu’est‑ce que le redox gating ?

In their publication, “Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control,” they explain the basic principles of Redox Gating and redox-based electronics.

Dans leur publication, « Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control », ils expliquent les principes de base du redox gating et de l’électronique basée sur le redox.

Normally, silicon transistors rely on electric fields to control the flow of electrons used by the transistor to perform computing.

Normalement, les transistors en silicium s’appuient sur des champs électriques pour contrôler le flux d’électrons utilisé par le transistor pour effectuer des calculs.

Instead, redox gating uses a low-voltage current and applies it to an “electron gate.” When the voltage goes above a certain threshold, the gate opens and lets electrons pass. The electron is provided by a redox material (a molecule able to “give away” electrons), hence the name “redox gating.”

À la place, le redox gating utilise un courant à basse tension et l’applique à une « porte d’électron ». Lorsque la tension dépasse un certain seuil, la porte s’ouvre et laisse passer les électrons. L’électron est fourni par un matériau redox (une molécule capable de « donner » des électrons), d’où le nom « redox gating ».

The redox material can be cycled back with no damage, allowing for what is more a chemical than electronic reaction to be repeated an almost infinite number of times.

Le matériau redox peut être recyclé sans dommage, permettant à une réaction davantage chimique qu’électronique d’être répétée un nombre presque infini de fois.

Source : Advanced Materials

The researchers demonstrated the principle of redox gating with no less than 3 different materials:

• poly(ionic liquids) conjugués (PILs)
• PILs contenant du métal
• sels métalliques simples.

The high capacitance gate dielectrics were made with Tungsten (VI) oxide (WO3) and Vanadium (IV) oxide (VO2).

Les diélectriques de porte à haute capacité ont été fabriqués avec de l’oxyde de tungstène (VI) (WO3) et de l’oxyde de vanadium (IV) (VO2).

The research work was made possible thanks to pre-existing installations helping to produce the material and analyze the redox gates like the Argonne’s Center for Nanoscale Materials and the Argonne’s Advanced Photon Source.

Ce travail de recherche a été rendu possible grâce à des installations préexistantes aidant à produire le matériau et à analyser les portes redox, comme le Center for Nanoscale Materials d’Argonne et l’Advanced Photon Source d’Argonne.

Potentiel du redox gating

Consommation d’énergie

Because the tested redox gates work with power as low as half a volt, this could open the way for microelectronics that consume very little power and generate very little heat.

Étant donné que les portes redox testées fonctionnent avec une puissance aussi basse qu’un demi‑volt, cela pourrait ouvrir la voie à des microélectroniques qui consomment très peu d’énergie et génèrent très peu de chaleur.

More power efficiency and reduced cooling needs might become very important as computing capacity and the energy it uses might become the chokepoint for further progress in AI.

Une plus grande efficacité énergétique et des besoins de refroidissement réduits pourraient devenir très importants, la capacité de calcul et l’énergie qu’elle consomme pouvant devenir le goulot d’étranglement du progrès futur de l’IA.

The versatility of redox gating mechanisms also could be “paving the way for the adoption of environmentally benign materials and the development of innovative device architectures”.

La polyvalence des mécanismes de redox gating pourrait également ouvrir la voie à l’adoption de matériaux respectueux de l’environnement et au développement d’architectures de dispositifs innovantes.

Informatique quantique

Quantum computing is an emerging field that promises to solve problems that are virtually impossible to compute with normal silicon transistors.

L’informatique quantique est un domaine émergent qui promet de résoudre des problèmes pratiquement impossibles à calculer avec des transistors en silicium classiques.

Redox Gating could also contribute to quantum computing progress. More specifically, it could help develop quantum logic gates that operate at low power.

Le redox gating pourrait également contribuer aux progrès de l’informatique quantique. Plus précisément, il pourrait aider à développer des portes logiques quantiques qui fonctionnent à faible puissance.

Considering that quantum computers went from single-digit qubits to recently passing the threshold of thousands of qubits, keeping the power consumption under control might be required to see the field becoming commercially viable.

Étant donné que les ordinateurs quantiques sont passés de quelques qubits à récemment franchir le seuil de plusieurs milliers de qubits, maîtriser la consommation d’énergie pourrait être nécessaire pour que le domaine devienne commercialement viable.

Calculs de type cérébral

Another promising aspect of redox gating is that it operates at very low voltage and allows for fine-tuning electron flow.

Un autre aspect prometteur du redox gating est qu’il fonctionne à très basse tension et permet d’ajuster finement le flux d’électrons.

This is exactly how human neurons process and amplify electric signals. Thus, it could ultimately allow the development of electronic chip designs that operate like brains.

C’est exactement ainsi que les neurones humains traitent et amplifient les signaux électriques. Ainsi, cela pourrait finalement permettre le développement de conceptions de puces électroniques qui fonctionnent comme des cerveaux.

Considering that the brain likely “computes” through elements of low voltage analogic calculations (gradation instead of absolute 1 & 0) and potentially quantum computing effects (the quantum mind theory), this could be the (only?) way to create AI with human-like abilities or real consciousness.

Étant donné que le cerveau « calcule » probablement à travers des éléments de calculs analogiques à basse tension (gradation plutôt que les valeurs absolues 1 & 0) et potentiellement des effets d’informatique quantique (la théorie de l’esprit quantique), cela pourrait être la (seule ?) façon de créer une IA avec des capacités semblables à celles de l’humain ou une véritable conscience.

Conclusion

Redox Gating might initially seem a very obscure and niche idea in microelectronics.

Le redox gating peut d’abord sembler une idée très obscure et de niche dans la microélectronique.

However, it demonstrates that semiconductors and computing are far from being limited to just reducing the size of transistors. Together with other innovations, it could open the way for low-voltage, low-waste heat, and low-toxicity chips.

Cependant, il montre que les semi‑conducteurs et l’informatique sont loin d’être limitées à la simple réduction de la taille des transistors. Avec d’autres innovations, cela pourrait ouvrir la voie à des puces à basse tension, à faible chaleur résiduelle et à faible toxicité.

And they might even be boosting quantum computing potential as well as be the building block of brain-like computing systems in the decades to come.

Et elles pourraient même renforcer le potentiel de l’informatique quantique ainsi que constituer le bloc de construction des systèmes informatiques de type cérébral dans les décennies à venir.