Redox-gating kan leiden tot nieuwe niveaus van efficiëntie in kleine elektronica

Verbeteren van micro-elektronica met Redox-gating

Micro-elektronica, zoals computerchips, gebruiken steeds kleinere transistors, wat leidt tot een groeiende moeilijkheid om ze efficiënt te produceren.

Dit veroorzaakt ook toenemende problemen met het energieverbruik en het beheersen van de gegenereerde warmte.

De explosie van AI betekent dat dit energieverbruik kan exploderen, met voorspellingen dat AI tegen 2030 3% tot 4% van de wereldwijde energievraag zou kunnen uitmaken. Dit is nog vóór een opleving in kwantumcomputing, een veld waar we de meest recente vooruitgang bespraken in ons artikel “The Current State of Quantum Computing.”

Als gevolg daarvan zijn nieuwe manieren nodig om elektronen te manipuleren, ook op kwantumniveau.

Daarom is het spannend nieuws dat onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een nieuw type transistorachtig systeem hebben aangetoond dat werkt met veel lagere spanning, iets dat Redox-gating wordt genoemd.

Wat is Redox-gating?

In hun publicatie, “Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control,” leggen ze de basisprincipes van Redox-gating en redox-gebaseerde elektronica uit.

Normaal gesproken vertrouwen siliciumtransistors op elektrische velden om de stroom van elektronen te regelen die door de transistor worden gebruikt voor het uitvoeren van berekeningen.

In plaats daarvan gebruikt redox-gating een laagspanningsstroom en past die toe op een “elektronengate”. Wanneer de spanning boven een bepaalde drempel komt, opent de gate en laat elektronen door. Het elektron wordt geleverd door een redoxmateriaal (een molecuul dat elektronen kan “afstaan”), vandaar de naam “redox-gating”.

Het redoxmateriaal kan zonder schade worden gerecycled, waardoor een meer chemische dan elektronische reactie bijna oneindig vaak kan worden herhaald.

Bron: Advanced Materials

De onderzoekers demonstreerden het principe van redox-gating met niet minder dan 3 verschillende materialen:

• geconjugeerde poly(ionische vloeistoffen) (PILs)
• metalen-bevattende PILs
• eenvoudige metaalzouten.

De hoogkapacitieve gate-dielectrische lagen werden gemaakt met wolfraam(VI)-oxide (WO3) en vanadium(IV)-oxide (VO2).

Het onderzoek was mogelijk gemaakt dankzij bestaande installaties die helpen het materiaal te produceren en de redox-gates te analyseren, zoals het Argonne’s Center for Nanoscale Materials en de Argonne’s Advanced Photon Source.

Potentieel van Redox-gating

Energieverbruik

Omdat de geteste redox-gates werken met een spanning van slechts een halve volt, kan dit de weg vrijmaken voor micro-elektronica die zeer weinig energie verbruikt en zeer weinig warmte genereert.

Meer energie-efficiëntie en verminderde koelbehoeften kunnen zeer belangrijk worden, aangezien de rekencapaciteit en de energie die het verbruikt mogelijk het knelpunt worden voor verdere vooruitgang in AI.

De veelzijdigheid van redox-gatingmechanismen zou ook “de weg kunnen banen voor de adoptie van milieuvriendelijke materialen en de ontwikkeling van innovatieve apparaatarchitecturen” kunnen zijn.

Kwantumcomputing

Kwantumcomputing is een opkomend veld dat belooft problemen op te lossen die praktisch onmogelijk te berekenen zijn met normale siliciumtransistors.

Redox-gating zou ook kunnen bijdragen aan de voortgang van kwantumcomputing. Meer specifiek zou het kunnen helpen bij het ontwikkelen van kwantumlogische poorten die op lage stroom werken.

Aangezien kwantumcomputers zijn geëvolueerd van enkele qubits tot recent de drempel van duizenden qubits hebben overschreden, kan het noodzakelijk zijn om het energieverbruik onder controle te houden om het veld commercieel levensvatbaar te zien worden.

Hersenachtige berekeningen

Een ander veelbelovend aspect van redox-gating is dat het werkt op zeer lage spanning en fijne afstemming van de elektronenstroom mogelijk maakt.

Dit is precies hoe menselijke neuronen elektrische signalen verwerken en versterken. Daarom zou het uiteindelijk de ontwikkeling van elektronische chipontwerpen die als hersenen functioneren kunnen mogelijk maken.

Aangezien de hersenen waarschijnlijk “rekenen” via elementen van lage‑spannings‑analoge berekeningen (gradaties in plaats van absolute 1 & 0) en mogelijk kwantumcomputing‑effecten (the quantum mind theory) omvatten, zou dit de (enige?) manier kunnen zijn om AI met mensachtige vermogens of echte bewustzijn te creëren.

Conclusie

Redox-gating kan in eerste instantie een zeer obscure en niche-idee lijken in de micro-elektronica.

Echter, het toont aan dat halfgeleiders en computing verre van beperkt zijn tot alleen het verkleinen van transistors. Samen met andere innovaties zou het de weg kunnen openen voor laagspannings‑, laag‑warmte‑ en laag‑toxische chips.

En ze zouden zelfs het potentieel van kwantumcomputing kunnen vergroten en de bouwsteen kunnen vormen van hersenachtige reken systemen in de komende decennia.