コンピューティング
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
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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
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。
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「量子コンピューティングの現状」で最新の進展を取り上げました。
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。
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成果は注目に値します。
レドックスゲーティングとは？
研究チームの論文「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。
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。
これに対し、レドックスゲーティングは低い電圧を加え、電解質中の可逆的な酸化還元反応を通じて酸化物チャネルへ電荷キャリアを注入します。これにより電子状態や導電性を制御します。
レドックス材料では可逆的な酸化還元反応を利用して電子をやり取りします。研究では数千回のサイクルが実証されましたが、無限の耐久性が示されたわけではありません。
ソース: Advanced Materials
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：
- 共役ポリイオン液体（PIL）
- 金属を含むPIL
- 単純な金属塩
酸化物チャネルの薄膜材料として、酸化タングステン（VI）（WO3）と酸化バナジウム（IV）（VO2）が使われました。
材料の作製とレドックスゲートの解析には、アルゴンヌ国立研究所のナノスケール材料センター や同研究所の先端光源施設などの既存設備が活用されました。
レドックスゲーティングの可能性
電力消費
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圧で動作するため、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。
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。
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
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。
量子コンピューティングへの応用も可能性として語られています。たとえば低電力で動作する量子論理ゲートへの応用が考えられますが、この研究で量子論理ゲートが実証されたわけではありません。
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
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。
低電圧で電気信号を調整する仕組みは、神経細胞に着想を得た計算回路への応用が期待されます。ただし、人間のニューロンと同じ動作を実現したという意味ではありません。
脳の信号処理には、0と1だけではなく連続的な変化を扱うアナログ的な側面があります。量子的な効果が意識に関わるという量子脳理論も提唱されていますが、確立した説明ではありません。レドックスゲーティングが人間に似た能力や意識を持つAIにつながるかどうかは、推測の域を出ません。
結論
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専門性の高い限られた分野の概念に思えるかもしれません。
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。
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。
