Novi materijali mogu poboljšati energijsku učinkovitost…

Istraživači s MIT-a razvili su novi postupak proizvodnje koji bi mogao omogućiti proizvodnju energijski učinkovitijih elektroničkih uređaja tako što će stavljati više funkcionalnih komponenti na postojeći krug. U tradicionalnim krugovima, logičke uređaje koji obavljaju izračune, kao što su tranzistori, i memorijske uređaje koji pohranjuju podatke, gradi se kao zasebne komponente, što prisiljava podatke da se vraćaju i idu između njih, što troši energiju.

Ova nova platforma za integraciju elektroničkih komponenti omogućuje znanstvenicima da proizvedu tranzistore i memorijske uređaje u kompaktnom sloju na poluvodičkom čipu. Time se eliminira veći dio trošene energije i poboljšava brzina izračuna.

Ključ ovog napretka je novi materijal s jedinstvenim svojstvima i precizniji postupak proizvodnje koji smanjuje broj defekata u materijalu. To omogućava istraživačima da naprave izuzetno male tranzistore s ugrađenom memorijom koji mogu raditi brže od najsavremenijih uređaja dok troše manje električne energije od sličnih tranzistora.

Poboljšanjem energijske učinkovitosti elektroničkih uređaja, ovaj novi pristup mogao bi pomoći smanjiti rastuću potrošnju električne energije za izračune, posebno za zahtjevne aplikacije kao što su generativna umjetna inteligencija, duboko učenje i računalno vidjenje.

„Moramo minimizirati količinu energije koju trošimo za AI i druge podatke centrirane izračune u budućnosti jer to jednostavno nije održivo. Potrebat će nam nova tehnologija kao što je ova platforma za integraciju da nastavimo taj napredak,” kaže Yanjie Shao, postdoktorant na MIT-u i prvi autor dva članka o ovim novim tranzistorima.

Novi postupak opisuje se u dvama čancima (jedan pozvan) koji su predstavljeni na IEEE International Electron Devices Meeting. Shao je na člancima zajedno s senior autorima Jesús del Alamo, Donner Professor of Engineering u MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS); Dimitri Antoniadis, Ray and Maria Stata Professor of Electrical Engineering and Computer Science na MIT-u; kao i ostalima na MIT-u, University of Waterloo i Samsung Electronics.

Problem koji rješavaju

Tradicionalni CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) čipovi obično imaju front end, gdje su aktivne komponente kao što su tranzistori i kondenzatori, i back end koji uključuje žice zvane interkonekte i druge metalne veze koje spajaju komponente čipa.

Ali neka energija se gubi kada se podaci kreću između ovih veza, a malene neusklađenosti mogu ometati rad. Stavljanje aktivnih komponenti na stog smanjilo bi udaljenost koju moraju podaci preći i poboljšalo bi energijsku učinkovitost čipa.

Tipično je teško stogati silicijske tranzistore na CMOS čipu jer visoka temperatura potrebna za proizvodnju dodatnih uređaja na front endu uništit će postojeće tranzistore ispod.

Istraživači s MIT-a okrenuli su ovaj problem naopako, razvijajući tehniku integracije da stogaju aktivne komponente na back end čipa.

„Ako možemo koristiti ovu back-end platformu da stavimo dodatne aktivne slojeve tranzistora, ne samo interkonekte, to bi povećalo gustoću integracije čipa i poboljšalo njegovu energijsku učinkovitost,” objašnjava Shao.

Istraživači su to postigli koristeći novi materijal, amorfni indijski oksid, kao aktivni kanalni sloj njihovog back-end tranzistora. Aktivni kanalni sloj je mjesto gdje se odvijaju esencijalne funkcije tranzistora.

Zbog jedinstvenih svojstava indijskog oksida, oni mogu „rasteći” izuzetno tanki sloj ovog materijala pri temperaturi od samo oko 150 stepeni Celzija na back end postojećeg kruga bez oštećenja uređaja na front endu.

Proces proizvodnje

Pažljivo su optimizirali postupak proizvodnje, koji minimizira broj defekata u sloju materijala indijskog oksida debljine samo oko 2 nanometra.

Neki defekti, poznati kao kisikovi praznine, neophodni su za tranzistor da se upali, ali sa previše defekata on neće raditi ispravno. Ovaj optimizirani postupak proizvodnje omogućava istraživačima da proizvedu izuzetno mali tranzistor koji radi brzo i čisto, eliminirajući veći dio dodatne energije potrebne za prebacivanje tranzistora iz off u on.

Nadovezujući se na ovaj pristup, također su proizveli back-end tranzistore s ugrađenom memorijom veličine samo oko 20 nanometra. To su postigli dodavanjem sloja materijala zvanog ferroelectric hafnium-zirconium-oxide kao memorijski komponentu.

Ovi kompaktniji memorijski tranzistori pokazali su brzinu prebacivanja od samo 10 nanosekundi, dosegnuvši granicu mjernih instrumenata tima. Ovo prebacivanje također zahtijeva mnogo nižu naponsku vrijednost od sličnih.

Zaključak

Ovim napretkom, istraživači s MIT-a postigli su značajan korak u poboljšanju energijske učinkovitosti elektroničkih uređaja. Ova nova tehnologija ima potencijal da transformira industriju i smanji troškove operiranja, posebno u zahtjevnim aplikacijama kao što su generativna umjetna inteligencija i duboko učenje.

Iako je još uvijek u ranim fazama razvoja, ova tehnologija pokazuje veliku potencijalnu vrijednost i može postati ključni faktor u budućnosti tehnologije.

Česta pitanja

Koji su glavni prednosti ove nove tehnologije?

Glavne prednosti ove nove tehnologije uključuju poboljšanu energijsku učinkovitost, povećanu brzinu izračuna i smanjenje veličine elektroničkih uređaja. Također, omogućuje integraciju tranzistora i memorijskih uređaja na istom čipu, što dodatno poboljšava performanse.

Koliko je ova tehnologija skuplja od postojećih rješenja?

Trenutno je ova tehnologija u ranim fazama razvoja, pa je teško precizno procijeniti njenu cijenu u odnosu na postojeća rješenja. Međutim, očekuje se da će se cijene smanjiti kako se tehnologija razvija i masovno proizvodi.

Kako se ova tehnologija može primijeniti u svakodnevnim aplikacijama?

Ova tehnologija može se primijeniti u raznim aplikacijama, uključujući mobilne uređaje, računala i IoT uređaje. Može poboljšati energijsku učinkovitost ovih uređaja, što je posebno važno za mobilne uređaje koji ovisaju o baterijama.

Koji su glavni izazovi u daljnjem razvoju ove tehnologije?

Glavni izazovi u daljnjem razvoju ove tehnologije uključuju poboljšanje preciznosti proizvodnje, smanjenje cijene i povećanje skalabilnosti. Također, važno je nastaviti istraživanje i razvoj da bi se otkrili novi materijali i tehnike koji bi mogli poboljšati performanse.

Kako ova tehnologija utječe na budućnost umjetne inteligencije?

Ova tehnologija ima potencijal da značajno utječe na budućnost umjetne inteligencije, poboljšavajući energijsku učinkovitost i smanjujući troškove operiranja. To može omogućiti širu primjenu AI u raznim aplikacijama, uključujući generativnu umjetnu inteligenciju i duboko učenje.