Transistor thông minh mang tính cách mạng mới được phát triển

Các thành phần điện tử mới mang tính cách mạng có thể được điều chỉnh để thực hiện các nhiệm vụ rất khác nhau – một công nghệ hoàn toàn phù hợp với trí tuệ nhân tạo.

Thông thường, chip máy tính bao gồm các thành phần điện tử luôn thực hiện công việc tương tự. Tuy nhiên, trong tương lai sẽ có thể linh hoạt hơn: Các loại bóng bán dẫn thích ứng mới có thể được chuyển đổi động trong thời gian chạy để thực hiện các nhiệm vụ logic khác nhau. Điều này về cơ bản thay đổi khả năng thiết kế chip và mở ra những cơ hội hoàn toàn mới trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo, mạng nơ-ron hay thậm chí là logic hoạt động với nhiều giá trị hơn chỉ 0 và 1.

Để đạt được điều này, các nhà khoa học tại TU Wien (Vienna) đã không dựa vào công nghệ silicon thông thường mà dựa vào germanium. Đây là một thành công: Bóng bán dẫn linh hoạt nhất trên thế giới hiện đã được sản xuất bằng gecmani. Nó đã được trình bày trên tạp chí ACS Nano . Các tính chất đặc biệt của gecmani và việc sử dụng các điện cực cổng chương trình chuyên dụng đã giúp nó có thể tạo ra nguyên mẫu cho một thành phần mới có thể mở ra một kỷ nguyên mới của công nghệ chip.

Một điện cực điều khiển bổ sung thay đổi mọi thứ

Bóng bán dẫn là cơ sở của mọi thiết bị điện tử hiện đại: nó là một thành phần nhỏ cho phép dòng điện chạy qua hoặc chặn dòng điện chạy – tùy thuộc vào việc có hay không điện áp đặt vào điện cực điều khiển. Điều này làm cho nó có thể xây dựng các mạch logic đơn giản nhưng cũng có thể lưu trữ bộ nhớ.

Cách thức vận chuyển điện tích trong bóng bán dẫn phụ thuộc vào vật liệu được sử dụng: Có các điện tử chuyển động tự do mang điện tích âm, hoặc có thể thiếu một điện tử trong các nguyên tử riêng lẻ, để điểm này mang điện tích dương. Điều này sau đó được gọi là “lỗ” – chúng cũng có thể được di chuyển qua vật liệu.

Trong bóng bán dẫn mới tại TU Wien, cả electron và lỗ trống đều được thao tác đồng thời theo một cách rất đặc biệt: “Chúng tôi kết nối hai điện cực bằng một sợi dây cực mỏng làm bằng germanium, thông qua giao diện chất lượng cao cực kỳ sạch sẽ. Phía trên phân đoạn germani, chúng tôi đặt một điện cực cổng giống như những điện cực được tìm thấy trong các bóng bán dẫn thông thường. Điều quyết định là bóng bán dẫn của chúng tôi có một điện cực điều khiển xa hơn, được đặt trên các giao diện giữa gecmani và kim loại. Nó có thể tự động lập trình chức năng của bóng bán dẫn, ”Tiến sĩ Masiar Sistani, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ trong nhóm của Giáo sư Walter Weber tại Viện Điện tử Trạng thái rắn tại TU Wien, giải thích.

Kiến trúc thiết bị này giúp nó có thể điều khiển các electron và lỗ trống một cách riêng biệt. Masiar Sistani nói: “Việc chúng tôi sử dụng germanium là một lợi thế quyết định. “Điều này là do germani có cấu trúc điện tử rất đặc biệt: khi bạn đặt điện áp, dòng điện ban đầu sẽ tăng lên như bạn mong đợi. Tuy nhiên, sau một ngưỡng nhất định, dòng điện lại giảm – điều này được gọi là điện trở vi sai âm. Với sự trợ giúp của điện cực điều khiển, chúng ta có thể điều chỉnh ngưỡng này nằm ở điện áp nào. Điều này dẫn đến các bậc tự do mới mà chúng ta có thể sử dụng để cung cấp cho bóng bán dẫn chính xác các đặc tính mà chúng ta cần vào lúc này ”.

Theo cách này, ví dụ, một cổng NAND (cổng logic không và cổng) có thể được chuyển sang cổng NOR (cổng không và cổng logic). “Cho đến nay, trí thông minh của thiết bị điện tử chỉ đơn giản đến từ sự kết nối của một số bóng bán dẫn, mỗi bóng bán dẫn chỉ có một chức năng khá sơ khai. Trong tương lai, trí thông minh này có thể được chuyển sang khả năng thích ứng của chính bóng bán dẫn mới, ”GS Walter Weber nói. “Các phép toán số học, trước đây yêu cầu 160 bóng bán dẫn, có thể thực hiện được với 24 bóng bán dẫn do khả năng thích ứng tăng lên này. Bằng cách này, tốc độ và hiệu suất năng lượng của các mạch cũng có thể được tăng lên đáng kể ”.

Nhóm nghiên cứu của GS Weber mới chỉ làm việc tại TU Wien được khoảng hai năm. Giáo sư Walter Weber đã tạo dựng được tên tuổi quốc tế với công trình nghiên cứu về thiết bị điện tử có thể cấu hình lại mới. Tiến sĩ Masiar Sistani là một chuyên gia trong lĩnh vực điện tử germani và chuyên nghiên cứu các hiện tượng vận chuyển điện tử. Hai lĩnh vực chuyên môn này là sự kết hợp hoàn hảo để tạo ra bóng bán dẫn germanium thích ứng. “Một số chi tiết vẫn cần được tối ưu hóa, nhưng với bóng bán dẫn germanium có thể lập trình đầu tiên, chúng tôi đã chứng minh rằng ý tưởng cơ bản thực sự hoạt động. Đây là một bước đột phá quyết định đối với chúng tôi, ”Masiar Sistani nói.

Trí tuệ nhân tạo

Những khả năng mới này đặc biệt thú vị đối với các ứng dụng trong lĩnh vực trí tuệ nhân tạo: “Trí tuệ con người của chúng ta dựa trên các mạch thay đổi động giữa các tế bào thần kinh. Với các bóng bán dẫn thích ứng mới, giờ đây có thể thay đổi mạch trực tiếp trên chip theo cách có mục tiêu, ”Walter Weber nói. Logic đa giá trị cũng có thể được thực hiện theo cách này – tức là các mạch không chỉ hoạt động với 0 và 1 mà còn với một số lượng lớn hơn các trạng thái có thể.

Một ứng dụng công nghiệp nhanh chóng của công nghệ mới này là thực tế: các vật liệu được sử dụng đã được sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn ngày nay và không cần quy trình sản xuất hoàn toàn mới nào. Ở một số khía cạnh, công nghệ này thậm chí còn đơn giản hơn trước: ngày nay, vật liệu bán dẫn được pha tạp, tức là được làm giàu bằng các nguyên tử ngoại lai riêng lẻ. Điều này là không cần thiết với bóng bán dẫn dựa trên gecmani; gecmani nguyên chất có thể được sử dụng.

Masiar Sistani nói: “Chúng tôi không muốn thay thế hoàn toàn công nghệ bóng bán dẫn dựa trên silicon đã được thiết lập tốt bằng bóng bán dẫn mới của chúng tôi, điều đó có thể là tự phụ. “Công nghệ mới có nhiều khả năng được tích hợp vào chip máy tính như một tiện ích bổ sung trong tương lai. Đối với một số ứng dụng nhất định, đơn giản là sẽ tiết kiệm năng lượng hơn và thuận tiện hơn khi dựa vào các bóng bán dẫn thích ứng ”.

Tài liệu tham khảo: “Bóng bán dẫn thích ứng dựa trên quy mô Nanomet cung cấp điện trở vi sai âm có thể lập trình cho phép logic đa giá trị” của Masiar Sistani, Raphael Böckle, David Falkensteiner, Minh Anh Luong, Martien I. den Hertog, Alois Lugstein và Walter M. Weber, ngày 27 tháng 10 2021, ACS Nano .
DOI: 10.1021 / acsnano.1c06801

Theo Scitechdaily