Redoks Kapılaması, Küçük Elektroniklerde Yeni Verimlilik Seviyelerine Yol Açabilir

Redoks Kapılamasıyla Mikroelektroniği Geliştirmek

Bilgisayar çipleri gibi mikroelektronikler, giderek daha küçük transistörler kullanıyor ve bu da onları verimli bir şekilde üretmeyi giderek zorlaştırıyor.

Bu aynı zamanda güç tüketimi ve ortaya çıkan ısının yönetimiyle ilgili artan sorunlara yol açıyor.

Yapay zekanın patlaması, bu güç tüketiminin patlayabileceği anlamına geliyor; 2030 yılına kadar yapay zekanın küresel enerji talebinin %3 ila %4’ünü oluşturabileceği öngörülüyor. Bu, en son ilerlemeleri “The Current State of Quantum Computing ” (Kuantum Bilgisayarının Güncel Durumu) adlı makalemizde tartıştığımız kuantum bilişim patlamasından önceki bir durum.

Sonuç olarak, kuantum seviyesinde bile elektronları manipüle etmenin yeni yolları gereklidir.

Bu nedenle, ABD Enerji Bakanlığı’na (DOE) bağlı Argonne Ulusal Laboratuvarı’ndaki araştırmacıların çok daha düşük voltajda çalışan, Redoks Kapılaması olarak adlandırılan yeni bir transistör benzeri sistem gösterdikleri haberini duymak heyecan verici.

Redoks Kapılaması Nedir?

Yayınlarında, “Redox Gating for Colossal Carrier Modulation and Unique Phase Control,” başlıklı çalışmada, Redoks Kapılaması ve redoks tabanlı elektroniklerin temel prensiplerini açıklıyorlar.

Normalde, silikon transistörler, transistörün hesaplama yapması için kullanılan elektron akışını kontrol etmek amacıyla elektrik alanlarına dayanır.

Bunun yerine, redoks kapılaması düşük voltajlı bir akım kullanır ve bunu bir “elektron kapısı”na uygular. Gerilim belirli bir eşiğin üzerine çıktığında, kapı açılır ve elektronların geçmesine izin verir. Elektron, elektronları “verebilen” bir molekül olan redoks malzemesi tarafından sağlanır; bu yüzden adı “redoks kapılaması”dır.

Redoks malzemesi zarar görmeden tekrar kullanılabilir, bu da esasen kimyasal bir reaksiyon olan bu sürecin neredeyse sınırsız sayıda tekrarlanmasını sağlar.

Kaynak: Advanced Materials

Araştırmacılar, redoks kapılaması prensibini en az 3 farklı malzeme ile gösterdiler:

• konjuge poliyonik sıvılar (PIL’ler)
• metal içeren PIL’ler
• basit metal tuzları.

Yüksek kapasitanslı kapı dielektrikleri Tungsten (VI) oksit (WO3) ve Vanadyum (IV) oksit (VO2) kullanılarak yapıldı.

Araştırma, malzemeyi üretmeye ve redoks kapılarını analiz etmeye yardımcı olan önceden var olan tesisler sayesinde mümkün oldu; örneğin Argonne’ın Nanoskal Malzeme Merkezi ve Argonne’ın Gelişmiş Foton Kaynağı.

Redoks Kapılaması Potansiyeli

Güç Tüketimi

Test edilen redoks kapıların yarım volt kadar düşük bir güçle çalışması, çok az güç tüketen ve çok az ısı üreten mikroelektroniklerin yolunu açabilir.

Daha yüksek güç verimliliği ve azalan soğutma ihtiyacı, hesaplama kapasitesi ve kullanılan enerjinin yapay zekadaki ilerlemenin darboğazı haline gelmesiyle çok önemli hale gelebilir.

Redoks kapılaması mekanizmalarının çok yönlülüğü aynı zamanda “çevre dostu malzemelerin benimsenmesi ve yenilikçi cihaz mimarilerinin geliştirilmesi yolunu açabilir”.

Kuantum Bilişim

Kuantum bilişim, normal silikon transistörlerle neredeyse imkânsız olan problemleri çözme vaadi taşıyan yeni bir alandır.

Redoks Kapılaması da kuantum bilişim ilerlemesine katkıda bulunabilir. Daha spesifik olarak, düşük güçte çalışan kuantum mantık kapılarını geliştirmeye yardımcı olabilir.

Kuantum bilgisayarların tek haneli kuantumlardan binlerce kuanta geçiş yaptığı göz önüne alındığında, güç tüketimini kontrol altında tutmak, alanın ticari olarak uygulanabilir hale gelmesi için gerekli olabilir.

Beyin Benzeri Hesaplamalar

Redoks kapılamasının bir diğer umut verici yönü, çok düşük voltajda çalışması ve elektron akışını ince ayar yapabilmesidir.

Bu, insan nöronlarının elektrik sinyallerini işleyip güçlendirdiği tam olarak aynı şekildedir. Böylece, nihayetinde beyin gibi çalışan elektronik çip tasarımlarının geliştirilmesine olanak tanıyabilir.

Beynin muhtemelen düşük voltajlı analogik hesaplamalar (mutlak 1 & 0 yerine kademeli) ve potansiyel kuantum bilişim etkileri (kuantum zihin teorisi) aracılığıyla “hesapladığı” düşünülürse, bu, insan benzeri yeteneklere ya da gerçek bilinçli bir yapay zeka yaratmanın (tek?) yolu olabilir.

Sonuç

Redoks Kapılaması, mikroelektronikte başlangıçta çok belirsiz ve niş bir fikir gibi görünebilir.

Ancak, yarı iletkenlerin ve bilişimin sadece transistör boyutlarını küçültmekle sınırlı olmadığını gösteriyor. Diğer yeniliklerle birlikte, düşük voltajlı, düşük ısı atığı ve düşük toksisiteye sahip çiplerin yolunu açabilir.

Ve onlar, kuantum bilişim potansiyelini artırmanın yanı sıra, önümüzdeki on yıllarda beyin benzeri bilişim sistemlerinin yapı taşı da olabilir.