Новий дизайн транзистора обіцяє вищу швидкість і надійність

У той час як дослідники продовжують шукати способи зробити сучасні пристрої меншими, команда з Массачусетського технологічного інституту розробила новий транзистор, який не лише працює швидше, а й надзвичайно міцний і набагато менший за будь-які аналоги на ринку.

Основні моменти, які слід знати:

• Інноваційний дизайн транзистора: Дослідники MIT розробили новий тип транзистора, використовуючи ультратонкі фероелектричні матеріали, що забезпечують швидше перемикання та більшу довговічність, ніж сучасні промислові стандарти.
• Покращена довговічність: Ці транзистори можуть витримувати понад 100 мільярдів циклів перемикання без деградації, що робить їх дуже придатними для зберігання пам’яті та інших застосувань з високими вимогами до витривалості.
• Енергоефективність: Новий дизайн транзистора працює при ультранизьких напругах, що значно зменшує споживання енергії, що може призвести до більш енергоефективних електронних пристроїв у майбутньому.
• Виклики попереду: Незважаючи на обнадійливі перспективи, технологія стикається з труднощами масштабування у виробництві, що вимагає подальших досліджень для інтеграції цих нових транзисторів у основні виробничі процеси.

Які виклики стоять перед традиційними транзисторами?

Транзистори, основа сучасної електроніки, докорінно змінили способи обчислення, зв’язку та керування електроживленням у безлічі пристроїв по всьому світу. Від найменших смартфонів до найбільших суперкомп’ютерів – транзистори є невід'ємними компонентами, що виконують важливі функції перемикання електронних сигналів та підсилення потужності. Однак шлях до створення менших, швидших і ефективніших транзисторів супроводжується значними науковими та інженерними викликами.

Виклики мініатюризації

Невпинне прагнення до мініатюризації, переважно зумовлене Законом Мура, який передбачає подвоєння кількості транзисторів на мікросхемі приблизно кожні два роки, призвело до значного прогресу у збільшенні обчислювальних можливостей. Проте таке зменшення розмірів приносить низку проблем, пов’язаних із фізичними та експлуатаційними обмеженнями матеріалів, що використовуються у конструкції транзисторів. Наприклад, із зменшенням розмірів транзисторів, зменшується і затвор — частина транзистора, що контролює потік струму. Коли розмір затворів наближається до кількох нанометрів, контроль над струмом стає дедалі складнішим через квантові ефекти, такі як тунелювання електронів, коли електрони проходять через затвор, навіть коли він закритий.

Ультратонкий матеріал з властивостями, які "вже відповідають або перевершують промислові стандарти", забезпечує ультра-швидке перемикання та виняткову довговічність. (Джерело: MIT)

Крім того, ефективність транзисторів погіршується у процесі мініатюризації. Чим менші компоненти, тим більші опір і витік струму, що, в свою чергу, створює тепло. Це тепло є не тільки побічним продуктом, а й критичним бар’єром для подальшого зменшення розмірів і підвищення ефективності, оскільки надмірне тепло може призвести до пошкодження пристрою.

Матеріали, що наразі використовуються у виробництві комерційних транзисторів, також мають обмеження. Наприклад, канал — шлях, яким проходить струм — і ширина затворів обмежені до розмірів, що становлять сотні атомів. Це обмеження зумовлене фізичними властивостями матеріалів і поточними технологічними можливостями виробничих процесів.

Обмеження матеріалів

Робочі напруги транзисторів також є проблемою. Зниження напруги бажане для зменшення споживання енергії та генерації тепла, але надто низька напруга може призвести до ненадійної роботи транзисторів та збільшення кількості помилок у обчисленнях.

З часом транзистори можуть деградувати через різні фактори, такі як тепло, електричні навантаження та втома матеріалів. Ця деградація впливає не лише на продуктивність транзисторів, але й на надійність пристроїв, у яких вони використовуються. Зі зменшенням розмірів пристроїв вплив деградації стає ще помітнішим, що обмежує потенціал подальшого зменшення розмірів обчислювальних пристроїв.

Технологія пам'яті, яка значною мірою залежить від транзисторів, також стикається із серйозними перешкодами. Статична оперативна пам'ять (SRAM) має труднощі з досягненням високої щільності зберігання, що є ключовим для підвищення обчислювальних можливостей. Динамічна оперативна пам'ять (DRAM) потребує складних операцій для підтримки цілісності даних, що збільшує енергоспоживання та ускладнює експлуатацію. Флеш-пам'ять, хоча й корисна для невід'ємного зберігання, має обмежену кількість циклів запису, що впливає на її довговічність і надійність.

Дослідники MIT створили міцні механічні транзистори зі зсувом

У проривному відкритті дослідники Массачусетського технологічного інституту розробили новий тип транзистора, який може докорінно змінити електронну промисловість. Команда під керівництвом фізиків MIT Пабло Харілло-Херреро та Реймонда Ашурі використала надтонкий фероелектричний матеріал, який продемонстрував можливості, що перевершують сучасні промислові стандарти в декількох ключових аспектах.

Досягнення в галузі фероелектричних матеріалів зі зсувом

Новітні дослідження фероелектричних матеріалів зі зсувом, зокрема вивчення двошарового нітриду бору, продемонстрували надзвичайну стійкість у плані витривалості та стійкості до втоми. Дослідження показали, що ці матеріали здатні витримати 100 мільярдів циклів перемикання без деградації, що підкреслює їхній потенціал для використання у високовитривалій пам’яті. Відсутність втоми матеріалу в фероелектриках зі зсувом є ключовим фактором цієї довговічності, що робить їх надзвичайно привабливими для енергоефективних і довговічних пристроїв у нових технологіях пам’яті.

Цей інноваційний матеріал, що складається з атомарно тонких шарів нітриду бору, забезпечує швидке перемикання між позитивними і негативними зарядами — це критично важливо для кодування цифрової інформації. Вражає те, що цей транзистор може працювати на швидкостях, вимірюваних у наносекундах, тобто у мільярдних частках секунди, що демонструє його потенціал для значного прискорення обробки даних.

Крім того, використання фероелектричних транзисторів з польовим ефектом (FeFET), що базуються на фероелектриках зі зсувом, як-от нітрид бору, відкриває можливості для ультрашвидкого перемикання. Дослідження свідчать, що ці транзистори можуть перемикати поляризацію на рівні наносекунд, зберігаючи високу витривалість навіть після мільярдів циклів. Ця здатність є особливо корисною для систем незмінної пам’яті, пропонуючи надійну та енергоефективну альтернативу традиційним технологіям пам’яті.

Довговічність і надійність фероелектриків зі зсувом

Міцність нового транзистора є винятковою. Він успішно витримав понад 100 мільярдів перемикань без жодних ознак деградації, що є свідченням його надійного дизайну та унікальних властивостей використаного фероелектричного матеріалу. Така витривалість є ключовою для застосувань, де важлива довготривала надійність, зокрема для систем зберігання даних та обчислювальних систем.

Ця виняткова витривалість зумовлена передусім унікальним механізмом зісковзування у двошаровій структурі матеріалу. На відміну від звичайних фероелектриків, які через дефекти під час повторного перемикання зношуються та деградують, фероелектрики зі зсувом уникають цього завдяки плавному руху між шарами. Це суттєво підвищує довговічність, позиціонуючи цю технологію як перспективне рішення для високопродуктивної пам’яті та додатків для зберігання даних.

Енергоефективність і робота при низькій напрузі

Тонкість матеріалу — вимірювана в мільярдних частках метра — не лише сприяє його ефективності, але й знижує напругу, необхідну для роботи. Це може призвести до створення більш енергоефективних електронних пристроїв, що потенційно значно знизить споживання енергії у різноманітних застосуваннях.

Крім того, енергоефективність цих транзисторів зі зсувом ще більше посилюється завдяки здатності працювати при наднизькій напрузі. Зменшені вимоги до напруги зумовлені атомарно тонкою структурою шарів нітриду бору, що дозволяє здійснювати ефективне перемикання без надмірного енергетичного навантаження. Це може прокласти шлях до створення наступного покоління електронних пристроїв, які будуть не тільки швидшими, але й споживатимуть значно менше енергії порівняно з сучасними кремнієвими технологіями.

Спільні дослідження та міждисциплінарний підхід

Дослідження, опубліковане в останньому випуску журналу Science, є результатом спільної роботи багатьох установ і дисциплін, що підкреслює важливість міждисциплінарного підходу для просування технологічних інновацій. Співавтори дослідження, Кендзі Ясуда та Еван Залис-Геллер, разом із командою з Гарвардського університету та Національного інституту матеріалознавства в Японії, зробили важливий внесок у характеристики та тестування нового матеріалу.

Незважаючи на багатообіцяючі результати, команда визнає низку майбутніх викликів, особливо щодо масштабування виробництва. Наразі метод виробництва фероелектричного матеріалу є складним і ще не пристосованим для великомасштабного виробництва. Проте тривають зусилля різних наукових груп, спрямовані на вдосконалення цих процесів, що дозволить розширити застосування цієї технології.

Хоча перспективи є багатообіцяючими, масштабування виробництва таких передових матеріалів залишається викликом. Наявні техніки виготовлення обмежуються малими демонстраційними зразками, що ускладнює негайний перехід до комерціалізації. Однак поточні дослідження в галузі матеріалознавства та нанотехнологій спрямовані на вирішення питань масштабування шляхом впровадження методів виробництва на рівні пластин, які потенційно можуть інтегрувати ці новітні транзистори в основні процеси виробництва напівпровідників.

Цей прорив має потенціал не тільки для покращення існуючих електронних пристроїв, але й для створення нових типів пристроїв, які раніше були неможливими, що є значним кроком уперед у галузі електронної інженерії. З продовженням досліджень майбутнє застосування цієї технології транзисторів може бути дуже широким, впливаючи на все — від споживчої електроніки до передових обчислювальних систем.

Чи зможе новий транзистор дійсно трансформувати електронну промисловість?

Хоча новий транзистор має низку поліпшених характеристик, зокрема менші розміри та вищі робочі швидкості, що може суттєво покращити можливості електронних пристроїв, практичне застосування та широке впровадження цієї технології стикаються зі значними перешкодами.

Одним з основних викликів у заміні нинішньої кремнієвої технології новими матеріалами або пристроями, такими як транзистор команди MIT, є питання масштабованості. Кремнієві транзистори надзвичайно добре інтегровані у виробничі процеси сучасної напівпровідникової промисловості. Ці процеси оптимізовані для масового виробництва, що дозволяє надійно виготовляти мільярди транзисторів на одній кремнієвій пластині. Такий рівень масштабованості виробництва є ключовим для задоволення глобального попиту на електронні пристрої та збереження економічної ефективності.

Новий транзистор, хоча і має певні переваги, повинен продемонструвати, що його можна виробляти не лише малими партіями в лабораторних умовах, але й у масштабах мільярдів, як це дозволяє сучасна кремнієва технологія. Здатність ефективно масштабувати виробництво впливає на все — від вартості транзисторів до можливості інтеграції їх у існуючі виробничі системи без необхідності витратних перебудов виробничих ліній.

Проблеми довговічності та надійності

Крім того, нинішні кремнієві технології мають перевірений часом рівень довговічності та надійності. Виробники й споживачі покладаються на цю встановлену історію продуктивності, яку нова технологія повинна не лише відповідати, але й перевершувати, перш ніж вона може розглядатися як життєздатна альтернатива. Це вимагає ретельних випробувань протягом тривалого часу за різних умов навколишнього середовища, щоб гарантувати, що нові транзистори можуть надійно працювати в реальних умовах.

Однак важливо зазначити, що поява таких інноваційних технологій часто призводить до створення нових застосувань і може відкрити нові ринки. Якщо проблеми масштабованості будуть вирішені, транзистор команди MIT потенційно може призвести до появи електронних пристроїв, які будуть швидшими, енергоефективнішими та здатними виконувати складніші завдання, ніж дозволяють сучасні технології. Це може мати особливий вплив у сферах, що потребують високопродуктивних обчислювальних потужностей, таких як штучний інтелект, аналіз великих даних та складні симуляційні завдання.

На завершення

Хоча майбутнє цієї нової технології транзисторів ще не визначене, її потенціал є незаперечним. Напівпровідниковій промисловості потрібно уважно стежити за тим, чи зможуть ці нові пристрої справді бути масштабовані до розмірів пластин і інтегровані в існуючі рамки виробництва електронних пристроїв. Лише час покаже, чи зможе ця нова технологія вийти за межі лабораторії та потрапити на споживчий ринок. Поки що промисловість дотримується обережної, але оптимістичної позиції, чекаючи на розвиток цих нових досягнень.

За матеріалами: electropages.com

Компанія СЕА з 1990 року займається оптовою торгівлею на ринку України електронними компонентами для промислових підприємств. У програму поставок входять як пасивні компоненти (резистори, конденсатори, індуктивності, варистори, кварцові резонатори, розрядники, роз'єми, запобіжники, комутаційні вироби та ін.), так і активні компоненти (мікросхеми, транзистори, діоди, діодні мости, світлодіоди, рідкокристалічні індикатори, оптоприлади, запобіжники, датчики та ін.).

Для того, щоб купити електронні компоненти або отримати кваліфіковану консультацію, зверніться в офіс Компанії СЕА за телефоном: +38 (044) 330-00-88 або по e-mail: info@sea.com.ua.