レドックスゲーティングは小型エレクトロニクスの新たな効率レベルを実現する可能性があります

レドックスゲーティングによるマイクロエレクトロニクスの改善

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

コンピュータチップなどのマイクロエレクトロニクスは、ますます小型のトランジスタを使用しており、効率的に製造することがますます困難になっています。

これにより、電力消費と発熱の管理に関する問題も増大しています。

The boom of AI means that this power consumption might explode, with forecasts that by 2030 AI could account for 3% to 4% of global power demand. 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.”

AIのブームにより、電力消費が急増する可能性があり、2030年までにAIが世界の電力需要の3%から4%を占めると予測されています。これは量子コンピューティングのブーム以前の話で、私たちは最近の記事「The Current State of Quantum Computing」で最新の進展を取り上げました。

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

その結果、量子レベルでの電子操作を含む新しい方法が必要とされています。

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.

そこで、米国エネルギー省（DOE）のアルゴンヌ国立研究所の研究者たちが、はるかに低い電圧で動作する新しいトランジスタ類似システム、いわゆるレドックスゲーティングを実証したというニュースは興奮すべきものです。

レドックスゲーティングとは？

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.

彼らの出版物「Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control」では、レドックスゲーティングとレドックスベースのエレクトロニクスの基本原理が説明されています。

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

通常、シリコントランジスタは電界を利用して、トランジスタが計算を行うために使用する電子の流れを制御します。

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.”

代わりに、レドックスゲーティングは低電圧の電流を使用し、それを「電子ゲート」に適用します。電圧がある閾値を超えるとゲートが開き、電子が通過します。電子はレドックス材料（電子を「放出」できる分子）から供給されるため、「レドックスゲーティング」という名前が付いています。

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.

レドックス材料は損傷なく再循環でき、電子的というより化学的な反応をほぼ無限に繰り返すことが可能です。

ソース: Advanced Materials

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

• conjugated poly(ionic liquids) (PILs)
• metal-containing PILs
• simple metal salts.

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

研究者たちは、少なくとも3種類の異なる材料でレドックスゲーティングの原理を実証しました：

• conjugated poly(ionic liquids) (PILs)
• metal-containing PILs
• simple metal salts.

高容量のゲート誘電体は、タングステン(VI)酸化物（WO3）とバナジウム(IV)酸化物（VO2）で作られました。

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.

この研究は、アルゴンヌのナノスケール材料センターやアルゴンヌ先端光源施設など、材料の製造とレドックスゲートの解析を支援する既存の設備のおかげで実現しました。

レドックスゲーティングの可能性

電力消費

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.

テストされたレドックスゲートは0.5ボルトという非常に低い電力で動作するため、極めて低消費電力かつ低発熱のマイクロエレクトロニクスへの道が開かれる可能性があります。

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.

計算能力とそれに伴うエネルギー使用がAIのさらなる進展のボトルネックになる可能性があるため、より高い電力効率と冷却需要の削減は非常に重要になるかもしれません。

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”.

レドックスゲーティングの多様性は、環境に優しい材料の採用と革新的なデバイスアーキテクチャの開発への道を切り開く可能性もあります。

量子コンピューティング

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

量子コンピューティングは、従来のシリコントランジスタでは事実上不可能な問題を解決できると期待される新興分野です。

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

レドックスゲーティングは量子コンピューティングの進展にも貢献できる可能性があります。具体的には、低電力で動作するquantum logic gatesの開発を支援できるでしょう。

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.

量子コンピュータが一桁のキュービットから最近では数千キュービットの閾値を超えたことを考えると、電力消費を抑えることが商業的に実用化するために必要になるかもしれません。

脳のような計算

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

レドックスゲーティングのもう一つの有望な側面は、非常に低電圧で動作し、電子フローを微調整できることです。

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.

これは人間のニューロンが電気信号を処理・増幅する方法とまさに同じです。したがって、最終的には脳のように動作する電子チップ設計の開発が可能になるでしょう。

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.

脳は低電圧のアナログ計算（絶対的な1と0ではなく段階的な変化）と、潜在的に量子コンピューティング効果（量子脳理論）を通じて「計算」していると考えられることから、これは（唯一の？）人間に似た能力や実際の意識を持つAIを創造する方法かもしれません。

結論

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

レドックスゲーティングは、当初はマイクロエレクトロニクスにおいて非常にマニアックでニッチな概念に思えるかもしれません。

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.

しかしながら、半導体とコンピューティングはトランジスタのサイズを縮小するだけに限らないことを示しています。他のイノベーションと組み合わせることで、低電圧・低廃熱・低毒性のチップへの道が開かれる可能性があります。

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.

さらに、これらは量子コンピューティングの可能性を高め、今後数十年で脳のようなコンピューティングシステムの基礎となるかもしれません。