Redox-gating kan føre til nye nivåer av effektivitet i små elektroniske enheter

Forbedring av mikroelektronikk med redox-gating

Mikroelektronikk som databrikker bruker stadig mindre transistorer, noe som gjør det stadig vanskeligere å produsere dem effektivt.

Dette fører også til økende problemer med strømforbruk og håndtering av den genererte varmen.

AI-boomen betyr at dette strømforbruket kan eksplodere, med prognoser om at AI innen 2030 kan stå for 3 % til 4 % av verdens totale strømforbruk. Dette er før en boom i kvantedatabehandling, et felt vi diskuterte den siste utviklingen i artikkelen vår «The Current State of Quantum Computing ».

Som et resultat kreves nye måter å manipulere elektroner på, også på kvantenivå.

Derfor er det spennende nyheter at forskere ved USAs energidepartement (DOE) Argonne National Laboratory har demonstrert en ny type transistorlignende system som opererer med mye lavere spenning, kalt redox-gating.

Hva er redox-gating?

I deres publikasjon, «Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control», forklarer de de grunnleggende prinsippene for redox-gating og redoksbasert elektronikk.

Vanligvis er silisiumtransistorer avhengige av elektriske felt for å kontrollere strømmen av elektroner som transistoren bruker til å utføre beregninger.

I stedet bruker redox-gating en lavspenningsstrøm og påfører den på en “elektrongate”. Når spenningen overstiger en viss terskel, åpnes gaten og lar elektroner passere. Elektronen leveres av et redoks‑materiale (et molekyl som kan “gi bort” elektroner), derav navnet “redox-gating”.

Redoks‑materialet kan sykliseres tilbake uten skade, noe som gjør at en snarere kjemisk enn elektronisk reaksjon kan gjentas nesten uendelig mange ganger.

Kilde: Advanced Materials

Forskerne demonstrerte prinsippet for redox-gating med ikke mindre enn 3 forskjellige materialer:

• konjugerte poly(ioniske væsker) (PILs)
• metall‑inneholdende PILs
• enkle metallsalter.

De høykapasitive gate‑dielektrikkene ble laget med wolfram(VI)‑oksid (WO3) og vanadium(IV)‑oksid (VO2).

Forskningsarbeidet ble mulig takket være eksisterende anlegg som hjelper med å produsere materialet og analysere redox‑gate‑ene, som Argonne’s Center for Nanoscale Materials og Argonne’s Advanced Photon Source.

Redox-gating potensial

Strømforbruk

Fordi de testede redox‑gate‑ene fungerer med en spenning så lav som en halv volt, kan dette åpne veien for mikroelektronikk som forbruker svært lite strøm og genererer svært lite varme.

Økt energieffektivitet og reduserte kjølebehov kan bli svært viktige ettersom beregningskapasiteten og energien den bruker kan bli flaskehalsen for videre fremgang innen AI.

Allsidigheten til redox‑gate‑mekanismene kan også være «baner vei for adopsjon av miljøvennlige materialer og utvikling av innovative enhetsarkitekturer».

Kvanteregning

Kvanteregning er et fremvoksende felt som lover å løse problemer som i praksis er umulige å beregne med vanlige silisiumtransistorer.

Redox-gating kan også bidra til fremdriften innen kvanteregning. Mer spesifikt kan det hjelpe med å utvikle kvante‑logikkporter som opererer med lavt strømforbruk.

Med tanke på at kvantedatamaskiner har gått fra ensifrede qubits til nylig å ha passert terskelen på tusenvis av qubits, kan det være nødvendig å holde strømforbruket under kontroll for å se feltet bli kommersielt levedyktig.

Hjerne‑lignende beregninger

Et annet lovende aspekt ved redox-gating er at den opererer med svært lav spenning og tillater finjustering av elektronflyt.

Dette er nøyaktig hvordan menneskelige nevroner behandler og forsterker elektriske signaler. Dermed kan det til slutt muliggjøre utviklingen av elektroniske chip‑design som fungerer som hjerner.

Med tanke på at hjernen sannsynligvis «beregner» gjennom elementer av lavspente analoge beregninger (gradualitet i stedet for absolutt 1 & 0) og potensielt kvante‑databehandlingseffekter (kvante‑mind‑teorien), kan dette være den (eneste?) måten å skape AI med menneskelignende evner eller ekte bevissthet.

Konklusjon

Redox-gating kan i første omgang virke som en svært obskur og nisjepreget idé innen mikroelektronikk.

Imidlertid viser den at halvledere og databehandling langt fra er begrenset til kun å redusere transistorenes størrelse. Sammen med andre innovasjoner kan den åpne veien for lavspente, lavvarme‑avfalls‑ og lav‑gift‑chips.

Og de kan også øke potensialet for kvanteregning samt bli byggesteinen i hjerne‑lignende beregningssystemer i tiårene som kommer.