Il Redox Gating potrebbe portare a nuovi livelli di efficienza nelle microelettroniche

Migliorare la microelettronica con il Redox Gating

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

Le microelettroniche, come i chip per computer, utilizzano transistor sempre più piccoli, il che comporta una crescente difficoltà nel produrli in modo efficiente.

Ciò genera anche crescenti problemi di consumo energetico e di gestione del calore prodotto.

Il boom dell’IA significa che questo consumo energetico potrebbe esplodere, con previsioni che entro il 2030 l’IA potrebbe rappresentare dal 3% al 4% della domanda globale di energia. Questo è prima di un boom nel calcolo quantistico, un campo di cui abbiamo discusso i progressi più recenti nel nostro articolo “The Current State of Quantum Computing.”

Di conseguenza, sono necessari nuovi modi per manipolare gli elettroni, anche a livello quantistico.

Pertanto, è una notizia entusiasmante che i ricercatori del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti (DOE) presso l’Argonne National Laboratory hanno dimostrato un nuovo tipo di sistema simile a un transistor che funziona a tensione molto più bassa, chiamato Redox Gating.

Che cos’è il Redox Gating?

Nella loro pubblicazione, “Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control,” spiegano i principi di base del Redox Gating e dell’elettronica basata sul redox.

Normalmente, i transistor al silicio si basano sui campi elettrici per controllare il flusso di elettroni utilizzato dal transistor per eseguire il calcolo.

Invece, il redox gating utilizza una corrente a bassa tensione e la applica a un “cancello elettronico”. Quando la tensione supera una certa soglia, il cancello si apre e consente il passaggio degli elettroni. L’elettrone è fornito da un materiale redox (una molecola in grado di “donare” elettroni), da qui il nome “redox gating”.

Il materiale redox può essere riciclato senza danni, consentendo a quella che è più una reazione chimica che elettronica di essere ripetuta un numero quasi infinito di volte.

Fonte: Advanced Materials

I ricercatori hanno dimostrato il principio del redox gating con non meno di 3 diversi materiali:

• polimeri coniugati di liquidi ionici (PILs)
• PILs contenenti metalli
• semplici sali metallici.

I dielettrici del cancello ad alta capacità sono stati realizzati con ossido di tungsteno (VI) (WO3) e ossido di vanadio (IV) (VO2).

Il lavoro di ricerca è stato reso possibile grazie a installazioni preesistenti che hanno aiutato a produrre il materiale e analizzare i cancelli redox, come il Center for Nanoscale Materials di Argonne e l’Advanced Photon Source di Argonne.

Potenziale del Redox Gating

Consumo energetico

Poiché i cancelli redox testati funzionano con una potenza di appena mezzo volt, ciò potrebbe aprire la strada a microelettroniche che consumano pochissima energia e generano pochissimo calore.

Una maggiore efficienza energetica e una riduzione delle esigenze di raffreddamento potrebbero diventare molto importanti, poiché la capacità di calcolo e l’energia che utilizza potrebbero diventare il collo di bottiglia per ulteriori progressi nell’IA.

La versatilità dei meccanismi di redox gating potrebbe anche “aprire la strada all’adozione di materiali ecologicamente benigni e allo sviluppo di architetture di dispositivi innovative”.

Calcolo quantistico

Il calcolo quantistico è un campo emergente che promette di risolvere problemi praticamente impossibili da calcolare con i normali transistor al silicio.

Il Redox Gating potrebbe anche contribuire ai progressi del calcolo quantistico. Più specificamente, potrebbe aiutare a sviluppare porte logiche quantistiche che operano a bassa potenza.

Considerando che i computer quantistici sono passati da pochi qubit a superare recentemente la soglia delle migliaia di qubit, mantenere il consumo energetico sotto controllo potrebbe essere necessario per vedere il campo diventare commercialmente fattibile.

Calcoli simili al cervello

Un altro aspetto promettente del redox gating è che opera a tensione molto bassa e consente una regolazione fine del flusso di elettroni.

Questo è esattamente il modo in cui i neuroni umani elaborano e amplificano i segnali elettrici. Pertanto, potrebbe alla fine consentire lo sviluppo di progetti di chip elettronici che operano come cervelli.

Considerando che il cervello probabilmente “calcola” attraverso elementi di calcoli analogici a bassa tensione (gradazione invece di assoluti 1 e 0) e potenzialmente effetti di calcolo quantistico (la teoria della mente quantistica), questo potrebbe essere l’unico modo per creare IA con capacità simili a quelle umane o una vera coscienza.

Conclusione

Il Redox Gating potrebbe inizialmente sembrare un’idea molto oscura e di nicchia nella microelettronica.

Tuttavia, dimostra che i semiconduttori e il calcolo sono ben lontani dall’essere limitati solo alla riduzione delle dimensioni dei transistor. Insieme ad altre innovazioni, potrebbe aprire la strada a chip a bassa tensione, a bassa produzione di calore e a bassa tossicità.

E potrebbero persino potenziare il potenziale del calcolo quantistico oltre a diventare il blocco fondamentale dei sistemi di calcolo simili al cervello nei decenni a venire.