Реорганизация компьютерного чипа: теперь транзисторы могут обрабатывать и хранить информацию

Компьютерная микросхема обрабатывает и хранит информацию, используя два разных устройства. Если бы инженеры могли объединить эти устройства в одно или расположить их рядом друг с другом, на чипе было бы больше места, что сделало бы его более быстрым и мощным.

Инженеры Университета Пердью разработали способ, с помощью которого миллионы крошечных коммутаторов, используемых для обработки информации, — так называемые транзисторы — также могли хранить эту информацию как одно устройство.

Метод, подробно описанный в статье, опубликованной в Nature Electronics , решает эту проблему, решая еще одну проблему: объединение транзистора с более производительной технологией памяти, чем в большинстве компьютеров, называемой сегнетоэлектрическим ОЗУ.

Исследователи десятилетиями пытались объединить их, но проблемы возникают на границе раздела между сегнетоэлектрическим материалом и кремнием, полупроводниковым материалом, из которого состоят транзисторы. Вместо этого сегнетоэлектрическое ОЗУ работает как отдельный элемент на кристалле, что ограничивает его потенциал для повышения эффективности вычислений.

Команда под руководством Пейде Йе, профессора электротехники и вычислительной техники из Пердью Ричарда Дж. И Мэри Джо Шварц, обнаружила, как преодолеть смертельную вражескую связь между кремнием и сегнетоэлектрическим материалом.

«Мы использовали полупроводник, обладающий сегнетоэлектрическими свойствами. Таким образом, два материала становятся одним материалом, и вам не нужно беспокоиться о проблемах интерфейса», — сказал он.

В результате получается так называемый сегнетоэлектрический полупроводниковый полевой транзистор, построенный так же, как транзисторы, используемые в настоящее время на компьютерных чипах.

Материал, альфа-селенид индия, не только обладает сегнетоэлектрическими свойствами, но также решает проблему традиционного сегнетоэлектрического материала, обычно выступающего в качестве изолятора, а не полупроводника из-за так называемой широкой «запрещенной зоны», что означает, что электричество не может пройти и никаких вычислений не происходит.

Селенид альфа-индия имеет гораздо меньшую ширину запрещенной зоны, что позволяет материалу быть полупроводником без потери сегнетоэлектрических свойств.

Мендвей Си, исследователь докторской степени в области электротехники и вычислительной техники, разработал и протестировал транзистор, обнаружив, что его характеристики сопоставимы с существующими сегнетоэлектрическими полевыми транзисторами и могут превосходить их при большей оптимизации. Сумит Гупта, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники Пердью и доктор философии кандидат Атану Саха обеспечил поддержку моделирования.

Команда Си и Йе также работала с исследователями из Технологического института Джорджии над созданием селенида альфа-индия в пространстве на кристалле, называемом сегнетоэлектрическим туннельным переходом, который инженеры могли бы использовать для расширения возможностей чипа. Команда представляет эту работу 9 декабря на Международной конференции электронных устройств IEEE 2019 года.

В прошлом исследователям не удавалось построить высокоэффективный сегнетоэлектрический туннельный переход, потому что его широкая запрещенная зона делала материал слишком толстым для прохождения электрического тока. Поскольку альфа-селенид индия имеет гораздо меньшую ширину запрещенной зоны, материал может иметь толщину всего 10 нанометров, что позволяет протекать через него большему току.

Увеличение тока позволяет уменьшить площадь устройства до нескольких нанометров, что делает чипы более плотными и энергоэффективными, сказал Е. Более тонкий материал — даже до толщины атомного слоя — также означает, что электроды по обе стороны туннельного перехода могут быть намного меньше, что было бы полезно для построения цепей, которые имитируют сети в человеческом мозге.

Это исследование было проведено в Центре нанотехнологий в Парке «Парк Пердью Дискавери» при поддержке Национального научного фонда, Управления научных исследований ВВС, Корпорации исследований полупроводников, Агентства перспективных исследований в области обороны и Управления военно-морских исследований США.

---

Источник истории:

Материалы предоставлены Университетом Пердью . Оригинал Кайлы Уайлс. Примечание: содержимое может быть отредактировано по стилю и длине.

---

Ссылка на журнал :

1. Менгвей Си, Атану К. Саха, Шэнцзе Гао, Ган Цю, Цзинкай Цинь, Юйцинь Дуань, Цзе Цзянь, Чан Ниу, Хайянь Ван, Вэньчжуо Ву, Сумит К. Гупта, Пайде Д. Е. Сегнетоэлектрический полупроводниковый полевой транзистор . Nature Electronics , 2019; DOI: 10.1038 / s41928-019-0338-7