Redox Gating Pode Levar a Novos Níveis de Eficiência em Eletrônicos Miniaturizados

Melhorando a Microeletrônica com Redox Gating

Microeletrônicos como chips de computador utilizam transistores cada vez menores, resultando em uma dificuldade crescente de fabricá‑los de forma eficiente.

Isso também gera problemas crescentes de consumo de energia e de gerenciamento do calor gerado.

O boom da IA significa que esse consumo de energia pode explodir, com previsões de que até 2030 a IA pode representar de 3% a 4% da demanda mundial de energia. Isso antes de um boom na computação quântica, um campo que discutimos o progresso mais recente em nosso artigo “O Estado Atual da Computação Quântica.”

Como resultado, são necessárias novas formas de manipular elétrons, inclusive em nível quântico.

Portanto, é uma notícia empolgante que pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) demonstraram um novo tipo de sistema semelhante a transistor que opera com voltagens muito mais baixas, algo chamado Redox Gating.

O que é Redox Gating?

Em sua publicação, “Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control”, eles explicam os princípios básicos do Redox Gating e da eletrônica baseada em redox.

Normalmente, transistores de silício dependem de campos elétricos para controlar o fluxo de elétrons usado pelo transistor para realizar computação.

Em vez disso, o redox gating usa uma corrente de baixa voltagem e a aplica a um “portão de elétrons”. Quando a voltagem ultrapassa um determinado limiar, o portão abre e permite a passagem de elétrons. O elétron é fornecido por um material redox (uma molécula capaz de “ceder” elétrons), daí o nome “redox gating”.

O material redox pode ser recirculado sem danos, permitindo que uma reação mais química do que eletrônica seja repetida um número quase infinito de vezes.

Fonte: Advanced Materials

Os pesquisadores demonstraram o princípio do redox gating com não menos que 3 materiais diferentes:

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

Os dielétricos de porta de alta capacitância foram feitos com óxido de tungstênio (VI) (WO3) e óxido de vanádio (IV) (VO2).

O trabalho de pesquisa foi possibilitado graças a instalações pré‑existentes que ajudam a produzir o material e analisar os portões redox, como o Centro de Materiais Nanoscale de Argonne e o Advanced Photon Source de Argonne.

Potencial do Redox Gating

Consumo de Energia

Como os portões redox testados funcionam com energia tão baixa quanto meio volt, isso pode abrir caminho para microeletrônicos que consomem muito pouca energia e geram muito pouco calor.

Maior eficiência energética e necessidades reduzidas de refrigeração podem se tornar muito importantes, já que a capacidade de computação e a energia que ela consome podem se tornar o gargalo para o progresso futuro da IA.

A versatilidade dos mecanismos de redox gating também pode estar “abrindo caminho para a adoção de materiais ambientalmente benignos e o desenvolvimento de arquiteturas de dispositivos inovadoras”.

Computação Quântica

A computação quântica é um campo emergente que promete resolver problemas que são virtualmente impossíveis de calcular com transistores de silício normais.

O Redox Gating também pode contribuir para o progresso da computação quântica. Mais especificamente, pode ajudar a desenvolver portas lógicas quânticas que operam com baixa energia.

Considerando que os computadores quânticos passaram de poucos qubits para recentemente ultrapassar a marca de milhares de qubits, manter o consumo de energia sob controle pode ser necessário para que o campo se torne comercialmente viável.

Cálculos Tipo Cerebral

Outro aspecto promissor do redox gating é que ele opera em voltagens muito baixas e permite o ajuste fino do fluxo de elétrons.

Isso é exatamente como os neurônios humanos processam e amplificam sinais elétricos. Assim, isso poderia, em última análise, permitir o desenvolvimento de designs de chips eletrônicos que operam como cérebros.

Considerando que o cérebro provavelmente “computa” por meio de elementos de cálculos analógicos de baixa voltagem (graduação ao invés de 1 e 0 absolutos) e potencialmente efeitos de computação quântica (a teoria da mente quântica), isso pode ser a (única?) maneira de criar IA com habilidades semelhantes às humanas ou consciência real.

Conclusão

O Redox Gating pode inicialmente parecer uma ideia muito obscura e de nicho na microeletrônica.

No entanto, demonstra que semicondutores e computação estão longe de se limitar apenas à redução do tamanho dos transistores. Junto com outras inovações, pode abrir caminho para chips de baixa voltagem, baixo desperdício de calor e baixa toxicidade.

E eles podem ainda impulsionar o potencial da computação quântica, bem como ser o bloco de construção de sistemas de computação tipo cerebral nas próximas décadas.