Redox-gating kan leda till nya nivåer av effektivitet i mikroelektronik

Förbättra mikroelektronik med redox-gating

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

Mikroelektronik som datorkretsar använder allt mindre transistorer, vilket leder till en ökande svårighet att tillverka dem effektivt.

Detta medför också växande problem med energiförbrukning och hantering av den genererade värmen.

AI-boomen innebär att denna energiförbrukning kan explodera, medprognoser om att AI år 2030 kan stå för 3 % till 4 % av den globala energiefterfrågan. Detta är innan en boom inom kvantdatorer, ett område där vi diskuterade den senaste utvecklingen i vår artikel “The Current State of Quantum Computing.”

Som ett resultat krävs nya sätt att manipulera elektroner, även på kvantnivå.

Det är därför spännande nyheter att forskare vid USA:s energidepartement (DOE) Argonne National Laboratory har demonstrerat en ny typ av transistorliknande system som fungerar med mycket lägre spänning, något som kallas redox-gating.

Vad är redox-gating?

I deras publikation, “Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control,” förklarar de de grundläggande principerna för redox-gating och redox-baserad elektronik.

Vanligtvis förlitar sig kiseltransistorer på elektriska fält för att kontrollera flödet av elektroner som transistorn använder för att utföra beräkningar.

Istället använder redox-gating en lågspänningsström och applicerar den på en “elektrongate”. När spänningen överstiger ett visst tröskelvärde öppnas gaten och låter elektroner passera. Elektronen tillhandahålls av ett redoxmaterial (en molekyl som kan “ge bort” elektroner), därav namnet “redox-gating”.

Redoxmaterialet kan återcirkuleras utan skada, vilket möjliggör att en snarare kemisk än elektronisk reaktion kan upprepas nästan oändligt många gånger.

Källa: Advanced Materials

Forskarnas demonstrerade principen för redox-gating med inte mindre än 3 olika material:

• konjugerade poly(joniska vätskor) (PILs)
• metallinnehållande PILs
• enkla metallsalter.

De högkapacitativa gate-dielektrikerna tillverkades med volfram(VI)-oxid (WO3) och vanadin(IV)-oxid (VO2).

Forskningsarbetet möjliggjordes tack vare befintliga anläggningar som hjälper till att producera materialet och analysera redox-gates såsom Argonne’s Center for Nanoscale Materials och Argonne’s Advanced Photon Source.

Potential för redox-gating

Energiförbrukning

Eftersom de testade redox-gates fungerar med en spänning så låg som en halv volt, kan detta bana väg för mikroelektronik som förbrukar mycket lite energi och genererar mycket lite värme.

Högre energieffektivitet och minskade kylbehov kan bli mycket viktiga eftersom beräkningskapacitet och den energi den använder kan bli flaskhalsen för fortsatt framsteg inom AI.

Mångsidigheten i redox-gating-mekanismer kan också vara “banar vägen för antagandet av miljövänliga material och utvecklingen av innovativa enhetsarkitekturer”.

Kvantdatorer

Kvantberäkning är ett framväxande område som lovar att lösa problem som i praktiken är omöjliga att beräkna med vanliga kiseltransistorer.

Redox-gating kan också bidra till framsteg inom kvantdatorer. Mer specifikt kan det hjälpa till att utveckla kvantlogikgate som fungerar med låg effekt.

Med tanke på att kvantdatorer har gått från ensiffriga qubits till nyligen ha passerat tröskeln på tusentals qubits, kan det vara nödvändigt att hålla energiförbrukningen under kontroll för att se området bli kommersiellt livskraftigt.

Hjärnliknande beräkningar

En annan lovande aspekt av redox-gating är att den fungerar med mycket låg spänning och möjliggör finjustering av elektronflödet.

Det är exakt så mänskliga neuroner bearbetar och förstärker elektriska signaler. Således kan det i slutändan möjliggöra utvecklingen av elektroniska chipdesigns som fungerar som hjärnor.

Med tanke på att hjärnan sannolikt “beräknar” genom element av lågspänningsanaloga beräkningar (gradualitet istället för absoluta 1 & 0) och potentiellt kvantberäknings‑effekter (the quantum mind theory), kan detta vara det (enda?) sättet att skapa AI med mänskliga förmågor eller verklig medvetenhet.

Slutsats

Redox-gating kan initialt verka som en mycket obskyr och nischad idé inom mikroelektronik.

Det visar dock att halvledare och beräkning långt ifrån är begränsade till att bara minska transistorernas storlek. Tillsammans med andra innovationer kan det bana väg för lågspännings-, lågavfallsvärme- och lågtoxicitetschip.

Och de kan till och med öka potentialen för kvantdatorer samt bli byggstenen för hjärnliknande beräkningssystem under de kommande decennierna.